微生產(chǎn)線供盒伺服驅(qū)動成型構(gòu)建及其電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法*

李守軍，吳俊亮，王志銘，鄭水林

（1.宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇宿遷223800；2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引言

培育“卓越工程師”型應(yīng)用技術(shù)人才是“新工科”背景下對本科人才培養(yǎng)的迫切要求[1]。在中國制造2025和互聯(lián)網(wǎng)+對智能制造的推動作用下，工業(yè)自動化節(jié)奏越來越快，柔性越來越強(qiáng)，傳統(tǒng)的單一自動化不再滿足工業(yè)社會快速發(fā)展的要求[2-3]。為此，針對互聯(lián)網(wǎng)+競賽和工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)線快速構(gòu)型的實(shí)際需求[4]，研發(fā)了一套具有快速成型的微型自動化生產(chǎn)線，充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件與元器件，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速成型，自動化系統(tǒng)快速構(gòu)建，搭配工業(yè)控制組態(tài)軟件，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)，通過模塊化自由組合，構(gòu)建出符合需求的自動化控制系統(tǒng)。本文將從處于微生產(chǎn)線始端的供盒伺服子系統(tǒng)的成型構(gòu)建與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)的實(shí)施方案。

1 供盒系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與系統(tǒng)裝配

供盒子系統(tǒng)位于供料自動化系統(tǒng)的首端，是一個(gè)相對獨(dú)立的控制系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、PLC、同步帶、絲杠、計(jì)算機(jī)、組態(tài)王等硬件與軟件設(shè)備，采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材支架，實(shí)現(xiàn)快速安裝構(gòu)型，并由PVC透明亞克力板遮罩和元件固定，如圖1所示。

圖1 微生產(chǎn)線供盒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)物對照

1.1 供盒系統(tǒng)構(gòu)型所需主要設(shè)備

供盒系統(tǒng)構(gòu)型所需主要設(shè)備如下。

（1） 伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動 器：無 錫 信 捷XINJE DS3L-20P7-PF7型220 V，0.75 kW驅(qū)動器，自帶脈沖型兼容省線正交編碼器。

（2）伺服電機(jī)：信捷MS-80STE-M02430B-20P7型號電機(jī)，功率0.75 kW，轉(zhuǎn)矩2.39 N·m，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，防護(hù)等級IP65。

（3）電磁閥：天啟氣動XINDE DC24V 4.8 W，電壓范圍DC21.6～26.4 V，壓力范圍：0.15～0.8 MPa。

（4）接近開關(guān)：歐姆龍PNP型TL-Q5MC2-Z PROX?IMITY SWITCH。

（5）同步齒形帶：導(dǎo)程74 mm，行程1 200 mm。

（6）升降絲杠：導(dǎo)程10 mm，行程800 mm。

（7）西門子Smart S7-200 SR30 PLC。

除此之外，還有亞克力板材、堅(jiān)固螺絲、小型控制箱、線材等輔助設(shè)備。

1.2 微生產(chǎn)線供盒子系統(tǒng)快速構(gòu)型

互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)企業(yè)對設(shè)備要求快速構(gòu)型，在給定的方案下，基于選定的標(biāo)準(zhǔn)件與元器件實(shí)現(xiàn)快速裝配，具體步驟如下。

（1）供料盒子倉庫組裝。將支撐框架放在第1位進(jìn)行組裝；框架組裝時(shí)，保證豎直水平向穩(wěn)定性；支撐框架組裝完成后，進(jìn)行齒形帶導(dǎo)軌組裝，要保證與箱體的垂直；組裝完成后，務(wù)必進(jìn)行壓力測試。

（2）執(zhí)行單元組裝。伺服電機(jī)與絲杠連接時(shí)要保證垂直度；伺服電機(jī)通過連軸器連接齒輪，驅(qū)動同步齒形帶；氣爪需要掛在導(dǎo)軌上，由同步帶驅(qū)動。

（3）氣動、電動單元連接或接線。電磁閥需要固定在支架上；電磁閥與節(jié)流閥、溢流閥、氣泵、氣爪之間通過氣管進(jìn)行連接；電磁閥線圈接到接線端子上去；伺服電機(jī)驅(qū)動電源線與編碼器分兩路鋪設(shè)、分別接到伺服驅(qū)動器的輸入、輸出端子上。

2 供盒系統(tǒng)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對微生產(chǎn)線供盒子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與控制工藝分析的基礎(chǔ)上，研究電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[5]。將可靠高效作為設(shè)計(jì)總的指導(dǎo)原則，并將易于升級優(yōu)化作為設(shè)計(jì)方向[6]。

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置與原理

進(jìn)行原理圖繪制并選擇合適元器件，系統(tǒng)電控原理如圖2所示。選擇了性價(jià)比較高的S7-200 SMART SR30 PLC、歐姆龍繼電器、MCGS觸摸屏6061TI，2臺XINJE DS3L-20P7-PF7型0.75 kW伺服電機(jī)驅(qū)動器，及天啟氣動XINDE DC24V規(guī)格的2位5通電磁閥組。考慮位置檢測不能接觸的特點(diǎn)，選擇了歐姆龍對射式接近開關(guān)，檢測距離遠(yuǎn)（小于或等于1.5 m）且靈敏度高。PLC與觸摸屏通過交換機(jī)建立連接。

圖2 微生產(chǎn)線供盒子系統(tǒng)電控原理

2.2 PLC端子I/O分配表

在PLC編程時(shí)，需要根據(jù)圖2所示系統(tǒng)電控原理定義出信號I/O變量表，如表1所示。

表1 設(shè)備與PLC之間的I/O分配表

3 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試

3.1 微生產(chǎn)線供盒伺服驅(qū)動系統(tǒng)工藝流程

供料盒子位于升降絲杠所連接的立體平臺上，根據(jù)微生產(chǎn)線反饋信號決定是否執(zhí)行供盒動作。若微生產(chǎn)線首個(gè)工位處于空閑狀態(tài)，則啟動供盒操作，工藝流程如圖3所示。

圖3 微生產(chǎn)線供盒伺服驅(qū)動系統(tǒng)工藝流程

3.2 自動控制參數(shù)整定過程

為實(shí)現(xiàn)升降絲杠、同步齒形帶高精度的自動控制，首要工作是進(jìn)行參數(shù)整定以消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)誤差、裝配誤差[7]，仔細(xì)觀察供盒子系統(tǒng)沿每個(gè)自由度的運(yùn)動形態(tài)，記錄相關(guān)參數(shù)，在調(diào)試的過程中，采用半步執(zhí)行與多步串聯(lián)執(zhí)行相接合的方法[8]。整定過程具體如下。

步驟1：啟動氣體壓力泵，調(diào)節(jié)壓力到0.4 MPa。

步驟2：手動按壓電磁閥的測試按鈕，觀察電磁閥的工作狀態(tài)。測試氣路連接是否正確，氣爪是否能夠夾緊。

步驟3：手動旋轉(zhuǎn)絲杠到原點(diǎn)，觀察絲杠下限位開關(guān)是否觸發(fā)，及PLC輸入IO燈的點(diǎn)亮情況。

步驟4：將備料盒置于絲杠托盤上，觀察備料盒是否觸發(fā)接近開關(guān)動作，PLC輸入點(diǎn)是否點(diǎn)亮。

步驟5：手動旋轉(zhuǎn)絲杠到上限位，觀察絲杠上限位開關(guān)是否觸發(fā)及PLC輸入IO燈的點(diǎn)亮情況。

步驟6：手動接動同步齒形帶，分別縮回到原點(diǎn)、伸出到極限點(diǎn)，觀察齒形帶縮回位置、齒形帶伸出位置對應(yīng)的PLC指示燈是否點(diǎn)亮。

步驟7：編寫PLC Q 0.0脈沖輸出與計(jì)數(shù)程序，控制伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動到下限位停下來。

Q0.0輸出高速脈沖信號，驅(qū)動絲杠升降的伺服電機(jī)，配合方向信號Q0.2以控制絲杠的上升和下降。編程軟件Smart Step7給出了快速調(diào)試助手，通過簡單的參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)[9]，具體方法如下。

（1）從Step7工具菜單打開“位置控制向?qū)А薄?/p>

（2）配置Step 7 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作。PLC提供Q0.0、Q0.1共2個(gè)高速脈沖輸出端口，可用其輸出的脈沖驅(qū)動伺服電機(jī)驅(qū)動器，配置為PTO/PWM操作。對于每個(gè)輸出端口，需要單獨(dú)配置。

（3）指定脈沖發(fā)生器。對于PLC的2個(gè)脈沖發(fā)生器：Q0.0用于驅(qū)動絲杠升降的伺服電機(jī)驅(qū)動器；Q0.1用于驅(qū)動齒形帶伸縮的伺服電機(jī)驅(qū)動器。與第（2）步類似，對于每個(gè)脈沖發(fā)生器需要單獨(dú)配置。

（4）配置為線性脈沖輸出（PTO）。將脈沖發(fā)生器配置為線性脈沖輸出（PTO），提供一個(gè)占空比為50%的方波輸出。如圖4所示。

圖4 脈沖發(fā)生器的配置選擇

（5）指定伺服電機(jī)速度。通過位置向?qū)渲么隧?xiàng)目中最高電機(jī)速度MAX_SPEED（單位：脈沖/s），向?qū)⒏鶕?jù)所配置的最高速度數(shù)值，確定出運(yùn)動包絡(luò)中的最低電機(jī)速度MIN_SPEED（單位：脈沖/s）。然后，指定電機(jī)啟動/停止速度SS_SPEED（單位：脈沖/s）。如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)速度配置

通過以上（1）~（5）的配置，生成PTO0_CTRL、PTO0_MAN兩個(gè)子程序，直接調(diào)用他們即可進(jìn)行手動控制。PLC梯形圖網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 伺服電機(jī)位置控制調(diào)試用梯形圖

3.3 控制精度分析

定位精度包括升降絲杠和同步齒形帶2個(gè)對象的位置精度。在分析位置精度時(shí)，需要轉(zhuǎn)換成與脈沖成正比的脈沖數(shù)量與位置之間的關(guān)系。通過脈沖計(jì)算得到的位移稱為計(jì)算位移，通過柵尺測量得到的位移為實(shí)際位移。編程使PLC Q0.0分別輸出0、1 000、5 000、10 000、50 000、100 000、500 000、1 000 000等脈沖數(shù)量，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動帶動托盤產(chǎn)生位移，進(jìn)行比較分析如圖7所示。可以得出，計(jì)算位移與測量位移之間的誤差極小，絕對誤差小于1.5個(gè)脈沖，相對誤差僅為0.003%，隨著位置的變化，誤差雖然產(chǎn)生少量波動，但整體變化平緩，在整個(gè)行程區(qū)間內(nèi)位置的變化與機(jī)械機(jī)構(gòu)配合較理想。

圖7 控制精度分析

由此可見，參數(shù)整定精度較高，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的自動控制。

4 結(jié)束語

本文研究了在互聯(lián)網(wǎng)+與工業(yè)企業(yè)對自動化產(chǎn)品快速構(gòu)型的大背景下，開發(fā)了微生產(chǎn)線，并采用標(biāo)準(zhǔn)件與元器件快速配置得到生產(chǎn)線始端的供盒子系統(tǒng)，提出了設(shè)備配置與構(gòu)型步驟。

采用具有RJ45端口即支持以太網(wǎng)總線的西門子SMART SR30 PLC設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電控伺服系統(tǒng)，既滿足了系統(tǒng)快速組網(wǎng)的需求，又實(shí)現(xiàn)了伺服動作的柔性支持。

軟件設(shè)計(jì)過程中充分考慮了Step7軟件的位置控制調(diào)試功能，給出了自動控制關(guān)鍵位置參數(shù)的整定過程；并通過實(shí)際程序驅(qū)動伺服電機(jī)帶動絲杠動作，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制精度。