基于Micro850的碼垛機機械手運動控制

摘要：近年來，愈發成熟的PLC技術正朝著用于連續生產過程控制的方向發展。本文基于羅克韋爾公司的AB Micro850可編程邏輯控制器，以碼垛機機械手為被控對象實現多軸同步的運動控制。結果表明，利用PLC控制碼垛機機械手具有性能可靠、定位精準、運行穩定以及便于調試等優點，加以延伸即可完成滿足工控領域要求的一系列動作。

關鍵詞：Micro850；機械手；運動控制

1 緒論

隨著微電子技術的高速發展，可編程邏輯控制器（PLC）因具備環境適應性強、體積小巧、安裝調試方便且易于擴展和維護等優勢，逐漸從眾多實現工業生產自動化的控制裝置中脫穎而出。基于PLC的工控技術即成為了當下自動化學科的一個新興研究領域。

碼垛機，即為一種將輸送機運輸過來的生產材料依照工藝上的要求堆疊成垛，并將這些物料進行下一步傳送的執行機構。因其操作步驟簡便且易于掌控而在過程控制系統中得到了廣泛應用，并從一定程度上促進了工業生產流程的智能化管理，在大幅度減少人力的同時亦削減了勞動強度。碼垛機機械手則是一種根據碼垛機的結構實現精準控制的被控對象，它能夠模擬人類手臂的部分動作，以實現工業上的分揀、抓取、搬運、傳送等功能。本文將以羅克韋爾公司的AB Micro850為控制器進行碼垛機機械手運動控制的探究。

2 碼垛機機械手的結構

碼垛機的主體是由航空級鋁合金板材加工，并加以電鍍表面氧化后組裝而成。同步帶傳動則由連桿機械結構、3臺步進電機和相應的步進電機驅動器組成。STP59D3012GA步進電機（額定電流2A，保持扭矩1.4N.m，4線雙極驅動，步進角為1.8°）作為腰部運動電機，帶有減速機的步進電機42BYGP48（額定電流2A，保持扭矩10N.m，4線雙極驅動，步進角為1.8°）作為主動臂運動電機，STP42D1075步進電機（額定電流0.8A，保持扭矩280N.m，4線雙極驅動，步進角為1.8°）作為連桿運動電機。

基于同步帶傳動可將對單軸的運動控制擴展至三軸同步的運動控制，通過編程可使碼垛機機械手的各個軸復現指定的運動路徑，從而實現對步進電機的精準控制。

3 PLC控制程序的設計

Micro850控制器支持梯形圖、結構化文本和功能塊編程共3種程序設計方式。其中，梯形圖表達式是基于電路控制系統的雛形演化而來，即保留了一般電路元件的圖形符號和相應觸點狀態，從而大大提升了程序的可讀性，算法架構亦更為形象、直觀，是當前工業控制中應用較廣泛的一種可視化編程語言。本文借助羅克韋爾公司開發的Connected Components Workbench（CCW）軟件進行底層算法的設計，并將Micro850控制器的型號選為2080LC5048QBB，I00、I03；I01、I04；I02、I05為其發出的3組高速脈沖，分別對應運動軸Axis1（主動臂電機），Axis2（腰部電機），Axis3（連桿運動電機）。

3.1 參數的配置

配置包括常規、電機和載荷、限制、動態、原位等。常規配置即根據不同運動軸對應的高速脈沖進行相應通道的選擇，本文將驅動器啟用輸出分別設定為IO_EM_DO_06，IO_EM_DO_07和IO_EM_DO_08；對于電機和載荷，本文以revs（轉數）作為位置單位，因此電機的速度單位為revs/s，每轉脈沖數即PLC發出的脈沖數，應保證和步進電機驅動器上的細分設定相一致，此處設置為3200（細分與力矩成正比，與速度成反比）；限制分為硬限位與軟限位，分別是硬件外部限位開關和應用緊急停止配置的單位數，這里主要對軟限位進行設定：Axis1，下限：-0.7revs，上限：001revs；Axis2，下限：-0.5revs，上限：0.5revs；Axis3，下限：-03revs，上限：0.3revs。動態中需要配置的是速度、加速度和重加速度。加速度是速度的變化率，重加速度則反映加速度的變化趨勢，通常選擇1：5：25的比例，停止參數及原位參數的設置同理。（主動臂電機的配置還需考慮1：5.18減速比的換算）

3.2 梯形圖的搭建

CCW的功能塊列表里僅有一組運動控制模塊適用于Micro850控制器中的QBB型，如：MC_Power（上電模塊），MC_Halt（急停模塊），MC_Home（歸位模塊），MC_MoveVelocity（控制伺服以速度值運動），MC_MoveRelative（控制伺服以相對值運動），MC_MoveAbsolute（命令受控制的運動到指定的絕對位置），MC_Reset（故障恢復），MC_Stop（暫停模塊）。每個功能塊需要所在梯級與功能分別使能后才可以正常工作，且得到一次使能后僅工作一次，故在規劃運動路徑時應注意各個運動軸可達的有效范圍及相互間的位置關聯。其中，MC_Power功能塊需將控制正反方向運動的輸入變量均設置為True以確保正確使能，在調節速度改變方向時MC_MoveVelocity需與MC_Halt配合使用，調用MC_MoveAbsolute進行相對運動前需借助MC_Home模塊來標記零點（原位）。結合邏輯電路的設計思想，梯形圖的架構如下所示（梯級層次依次向下遞增）：

3.3 程序驗證

梯形圖創建完畢即可進行程序的生成和連接，在彈出的連接瀏覽器對話框中選擇Micro850對應的IP地址，而后將所建工程下載至控制器項目中。在梯形圖界面可見各梯級間連線呈紅色，表示導通狀態，即為程序運行模式。首先將三個運動軸的上電模塊使能端置1，由其輸出的三個狀態變量使各自的相對運動模塊所在梯級導通，再通過對所設置的三個外部按鈕進行置位或復位操作以改變正轉控制、反轉控制、暫停控制所在梯級的使能狀態，進而對各自的相對運動模塊進行使能控制，以實現碼垛機機械手三軸同步正轉、反轉以及暫停的功能。工程實踐中，PLC往往會受一些不必要的干擾因素影響而出現緊急情況，通過操控最后一個梯級所設外部按鈕的狀態即可實現急停復位（電機轉軸速率降為零）的功能，以確保運動控制過程中的可靠性和安全性。下圖所示位置為其標記原點位置，紅色箭頭代表主動臂電機軸的負方向和連桿運動電機軸的正方向，藍色箭頭代表主動臂電機軸的正方向和連桿運動電機軸的負方向。

4 結語

本文以Micro850 PLC為核心實現了對碼垛機機械手的多軸同步運動控制，試驗結果表明PLC控制碼垛機機械手具有性能可靠、定位精準、運行穩定以及便于調試等優點。在此基礎上，若加以工業觸摸屏進行實時通訊，將形成人機交互界面，進而對碼垛機機械手的運動過程實現更為方便和高效地監控。若旨在使碼垛機機械手完成其他適用于工控領域的規定動作，可從運動軸參數的配置入手，針對底層算法進行深一步調整和優化。

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作者簡介：賀麗媛（1998），女，漢族，湖北武漢人，本科，研究方向：自動化。