PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用

第 9 期2011 年 9 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing TechniqueNo． 9Sep． 2011文章编号 1001 － 2265（ 2011） 09 － 0066 － 04收稿日期 2010 － 12 － 09作者简介 丛明 （ 1963 ） ， 男 ， 辽宁大连人 ， 大连理工大学机械工程学院教授 ， 博士 ， 研究方向为机器人技术及应用 、 结构有限元分析及优化 ，（ E － mail ） congmdlut ．edu． cn。PLC 伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用丛 明 ， 刘 冬 ， 杜 宇 ， 孙 强（ 大连理工大学 机械工程学院 ， 辽宁 大连 116023）摘要 针对太阳能电池组件生产过程中存在的工人劳动强度大和生产效率低等问题 ， 设计一种采用真空吸盘结构的太阳能电池组件搬运机械手 ， 搭建由 PLC（ 可编程控制器 ） 、 伺服电机及驱动器构成的控制系统 ， 并提出一种基于 PLC 的位置伺服控制方法 。 系统 PLC 程序采用模块化思想进行设计 ，并利用组态软件对触摸屏进行组态 ， 通过串行端口建立 PLC 与触摸屏之间的通讯 ， 实现 PLC 与触摸屏对搬运机械手的联合控制 。 应用结果表明 ， 搬运机械手及其控制系统具有较好的交互性与灵活性且机械手自动运行过程稳定可靠达到了预期的设计目的 。关键词 PLC； 伺服控制 ； 机械手 ； 触摸屏 ； 太阳能电组件中图分类号 TG65； TP273 文献标识码 AApplication of PLC Servo Control in The Transport Manipulator for Solar Cell ModuleCONG Ming， LIU Dong， DU Yu， SUN Qiang（ School of Mechanical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116023， China）Abstract Aiming at the heavy physical labour and low production efficiency,etc existing in productionprocess of the solar cell module,a transport manipulator which usesvacuum cups structure is designed.Thecontrol system is set up based on PLC,servo motor and driver,and also a position servo control methodbased on PLC is presented. Modularization is adopted for the design of PLC programme and the touchscreen is configured by using the configuration software.The connection between the PLC and touch screenis established via serial port to jointly control the movement of the manipulator.The result shows that thetransport manipulator and its control system have good interaction and flexibility and automatic operationprocess is stable and reliable,finally, reachesthe desired design purpose.Key words PLC; servo control; manipulator; touch screen; solar cell module0 引言机械手作为一种自动化装备 ， 在生产线上下料作业中可以代替人完成繁重劳动 ， 实现生产的自动化 ［ 1］ 。 工业自动化技术水平的不断提高和人们对生产效率提出的新要求 ， 促使机械手技术得到快速发展 。 PLC 具有可靠性高 、 通用性强和使用简便等优点 ， 能够为自动化设备提供可靠的控制方案 ， 广泛应用于各种工业自动化生产过程 。 本文针对国内某公司太阳能电池组件生产过程中存在的工人劳动强度大和生产率低等问题 ， 设计一种太阳能电池组件搬运机械手 。 利用 PLC、 触摸屏 、 伺服电机及驱动器搭建搬运机械手的控制系统 ， 提出一种基于 PLC 的位置伺服控制方法 ， 实现太阳能电池组件生产线传输过程的自动化 。1 太阳能电池组件搬运机械手的结构与功能太阳能电池组件搬运机械手是整个太阳能电池组件生产线上自动化设备的一部分 ， 其主要任务是将太阳能电池组件从托盘搬运到生产线下一单元 ， 根据生产节拍定制整个工作循环小于 30s。 依据太阳能电池组件 （ 如图 1 所示 ） 具体的结构尺寸和搬运路线 ， 设计一种大跨度横梁结构的搬运机械手 ， 其整体结构模型如图 2 所示 。 该搬运机械手主要由水平移动单元 、 竖直移动单元 、 真空吸盘机械手和支架组成 。 水平方向上由伺服电机经同步带驱动整个机械手在横梁上做水平直线运动 。 竖直方向上由两个伺服电机同步运动经滚珠丝杠减速带动真空吸盘机械手做垂直直线运动 。真空吸盘机械手由 15 个真空吸盘组成 ， 以保证吸附过程中太阳能电池组件均匀受力 。搬运机械手整体吸附机构采用了框架组合结构 ， 材料选用铝合金型材 ， 采用高强度专用螺栓加弹性扣件的内部隐藏连接方式 ， 坚固而又可靠 。 为了满足用户生产的不同规格太阳能电池组件的搬运操作 ， 搬运机械手真空吸盘的位置可以根据具体的太阳能电池组件尺寸进行调节 ， 从而增强了搬运机械手的适应性 。2 PLC 与触摸屏联合控制系统由于 PLC 的人机交互性能较差 ， 操作人员难以直观地观测 PLC 和搬运机械手系统的工作状况 ， 故需配备一个上位机来配合 PLC 进行控制 。 搬运机械手的控制系统主要包括四个模块 PLC 与触摸屏联合控制模块 、 执行模块 、 检测模块和显示模块 。 根据搬运机械手的功能要求 ， 在设计中 ， 上位机 、 下位机 、执行模块和检测模块分别采用了触摸屏 、 PLC、 驱动系统和传感系统 ［ 2-3］ ， 其中显示模块的功能由触摸屏实现 ， 控制系统硬件结构如图 3 所示 。 触摸屏作为操作人员与 PLC 交互的工具 ， 其作用为接收指令输入 、 显示操作画面和当前的工作状态 。 PLC 及其扩展模块接收传感器采集开关量信号 ， 同时通过串口与触摸屏实时通讯 ， 并接收触摸屏传来的中间变量信号 ， 发送脉冲信号给驱动器 ， 驱动伺服电机带动机械手运动 。根据工作过程中所需要 I /O 点数和控制系统的功能要求 ， 可编程控制器选用了 Micro PLC SIMATICS7-200 系 列 （ CPU 224） ［ 4］ ， 触 摸 屏 选 用 了 为 MicroPLC SIMATIC S7-200 应用而定制的具有图形功能的设备 SIMATIC HMI K-TP 178micro。 伺服电机与驱动器选用了松下公司的 AC 伺服电机 MHMD042P1C 和驱动器 MBDDT2210。图 3 控制系统硬件结构图3 PLC 位置伺服控制方法根据生产过程中太阳能电池组件的搬运路线 ，搬运机械手控制模式采用点到点的位置伺服控制 。位置伺服控制过程通过 S7-200 CPU 发送脉冲序列来完成 。 CPU 发送一个脉冲序列和一个方向信号给伺服驱动器 ， 经过驱动器转换为响应的电压信号提供给伺服电机 ， 驱动器接收伺服电机反馈信号 ， 重新计算伺服电机运动目标的位置 ， 达到精确控制伺服电机运动的目的 ［ 5］ 。 图 4 是由 S7-200 CPU 和松下伺服驱动器 MBDDT2210 组成的位置伺服控制系统其中MBDDT2210 接收来自 S7-200 CPU 的目标位置和方向的脉冲信号后完成对定位单元的闭环位置伺服控制 。图 4 位置伺服控制系统为了实现 PLC 的位置伺服控制功能 ， 使用 “ MAPSERV” 指令库的功能块 ， 利用 Q0. 0 和 Q0. 2 或 Q0.1和 Q0. 3 输出脉冲串来控制 MBDDT2210 实现位置伺服控制功能 ， 利用 I0. 0 和 I0. 1 作为参考点输入实现整个系统寻零功能 。 在实现位置伺服控制过程中 ，主要调用的库函数有 Q0_x_CTRL、 Q0_x_Home、 Q0_x_MoveAbsolute、 Q0_x_MoveVelocity 和 Q0_x_Stop， 它们的功能分别是使能位控功能和传递全局参数 、 寻找参考点位置 、 绝对位置运动定位 、 以预置速度运动和停止运动 。 通过几个库函数的协调调用可以达到准确的位置伺服控制 。4 控制系统软件设计4. 1 触摸屏程序设计要使触摸屏能够在生产自动化中完成控制和监视的任务 ， 需要对触摸屏进行组态 。 触摸屏的软件设计包括画面设计和变量连接 。 为了实现系统功能要求和保证系统较好的人机交互性能 ， 设计的触摸屏操作画面结构如图 5 所示 。762011 年 9 月 丛 明 ， 等 PLC 伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用图 5 触摸屏操作画面结构触摸屏不仅监控和显示当前的工作状态 ， 而且也要对 PLC 的动作进行控制 。 所以需要设置变量 ，建立触摸屏组态变量和 PLC 的响应 I /O 点及各个存储单元之间的关系 ， 创建相应的事件 ， 实现触摸屏组态功能对 PLC 参数的输入 ， PLC 当前值在触摸屏上的输出功能 。 最后在触摸屏和 PLC 之间建立通讯 ，达到实时的监测和控制 。4. 2 PLC 程序设计4. 2. 1 PLC 的 I /O 分配根据功能要求和位置伺服控制系统中 I /O 口的绑定 ， PLC 的 I /O 分配如表 1 所示 。表 1 PLC 的 I /O 口分配表输入点 输出点地址 功能 地址 功能I0. 0 X 参考点 Q0. 0 X 轴脉冲输出I0. 1 Z 参考点 Q0. 1 Z1、 Z2 轴脉冲输出I0. 2 X 正限位 Q0. 2 X 轴方向输出I0. 3 X 负限位 Q0. 3 Z1、 Z2 轴方向输出I0. 4 料位开关 Q0. 4I0. 5 托盘升 Q0. 5 报警复位I0. 6 上限位 Q0. 6 真空吸I0. 7 暂停 Q0. 7 真空放I1. 0 自动许可 Q1. 0 外部启动I1. 1 X 伺服报警 Q1. 1 报警灯I1. 2 Z1 伺服报警 Q2. 1 气缸下降I1. 3 Z2 服报警 Q2. 2 气缸上升I1. 4 X 轴定位完成I1. 5 Z 轴定位完成I2. 0 下降到位I2. 1 上升到位I2. 2 真空表吸到位提示I2. 3 真空表放到位提示4. 2. 2 系统初始化机械手操作前 ， 其水平和垂直方向的位置均是随意的 ， 所以在开机后 ， 进入自动循环之前需要对系统进行初始化 。 具体操作如下 Z 轴归零 ， X 轴归零 。机械手的机械零位在工作空间的左上角处 ， 两坐标轴归零均采用 PLC 库函数中的 Q0_x_Home。 X 轴归零的库函数调用格式如图 6 所示 。图 6 X 轴归零库函数调用格式在初始化过程中 ， 为了尽量减少归零的时间 ， 采用的轨迹路线如图 7 所示 。图 7 归零轨迹路线4. 2. 3 PLC 程序设计PLC 程 序 设 计 采 用 了 模 块 化 的 程 序 设 计 思想 ［ 6］ 。 机械手的动作实现均在子程序中完成 ， 主程序只负责初始化和调用子程序 ， 保证了良好的维护性和清晰的代码结构 ， 增强太阳能电池组件搬运机械手 PLC 控制程序的可读性和调试过程的方便性 ，并且方便用户根据后续提出的新要求完善程序 。机械手归零后 ， 根据机械手的实际工况和避障要求 ， 在自动运行过程中选取的轨迹路线如图 8 所示 。图 8 机械手运行轨迹机械手归零后处于 O 点 ， 自动程序开始运行后 ，机械手以零点 O 作为起始点 ， 当前工序结束后机械手接受自动许可指令进入循环 。 运行轨迹中的各节点坐标由操作者经触摸屏传递给 PLC， 机械手自动循环示意图如图 9 所示 。5 调试与应用将 PLC 程序和触摸屏编辑界面通过 PC 机下载到可编程控制器和触摸屏中 ， 通过手动操作界面将太阳能电池组件搬运路线中对应的节点数据测量出并通过触摸屏存储到 PLC 存储器中 。 由于所搬运的太阳能电池组件体积和重量较大 ， 为了保证搬运过程的平稳性 ， 且限制整个循环时间小于 30s， 故需对各段运行速度和加速度进行设定 ， 经试验可知水平速度脉冲为 10000（ 0. 32m/s） ， 垂直速度脉冲为 500086 组合机床与自动化加工技术 第 9 期（ 0. 16m /s） ， 加 速 度 时 间 均 采 用 0. 5s 时 循 周 期 为26s。 机械手试运行后 ， 系统稳定性能较好 ， 并且整个系统振动较小 ， 符合设计要求 。图 9 机械手自动循环示意图6 结束语本文设计了一种太阳能电池组件搬运机械手 ，并搭建由 PLC 和触摸屏组成的位置伺服控制系统 。提出一种基于 PLC 的位置伺服控制方法 ， 利用 PLC中 “ MAP SERV” 指令库的功能块实现了太阳能电池组件搬运过程的自动化 。 经现场调试与实际应用 ， 搬运机械手自动运行过程具有高的可靠性和稳定性 ， 且整个操作过程具有简单与安全等特点 ， 满足用户对不同型号太阳能电池组件的搬运要求 。 同时搭建的控制系统具有较强的 I /O 扩展能力 ， PLC 程序设计采用了模块化设计思想 ， 可为后续生产线设备的完善与改造提供较大的空间 。［ 参考文献 ］［ 1］ 刘自龙 ． 机械手在压力机生产线上应用的安全控制 ［ J］ ．设计与研究 ， 2010（ 7） 73 － 75．［ 2］ Xiao Yan-jun， Zhou Jing， Guan Yu-ming， et al ． The Re-search of Automatic Mold Manipulator Control System onPLC［ C］ ． International Conferenceon Information Engineer-ing， 2010 200 － 203．［ 3］ 李伟光 ， 刘铨权 ， 许阳钊 ， 等 ． 基于 PLC 和触摸屏的 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