基于PLC的機(jī)械吊臂定位控制設(shè)計(jì)

姚世選,李論,仲崇權(quán)

(1.大連交通大學(xué) 動(dòng)車應(yīng)用與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)*

基于PLC的機(jī)械吊臂定位控制設(shè)計(jì)

姚世選1,李論1,仲崇權(quán)2

(1.大連交通大學(xué) 動(dòng)車應(yīng)用與維護(hù)工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)*

針對大型零部件清洗系統(tǒng)中的自動(dòng)機(jī)械吊臂進(jìn)行控制研究，基于PLC控制平臺(tái)由控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及顯示平臺(tái)組成.介紹了控制系統(tǒng)的工作原理，建立了機(jī)械吊臂的數(shù)學(xué)模型，對定位過程中的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了計(jì)算分析.PLC主要控制機(jī)械吊臂的運(yùn)動(dòng)，以工控機(jī)屏幕顯示大型零件清洗狀態(tài)信息和操作控制，文中給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì).該系統(tǒng)的機(jī)械吊臂定位精度優(yōu)于1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械吊臂懸掛車鉤高速準(zhǔn)確無誤自動(dòng)裝入清洗室插銷中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作.

運(yùn)動(dòng)控制；定位模塊；PLC

0 引言

在工業(yè)、國防、建筑等領(lǐng)域中，時(shí)常會(huì)用到大型的機(jī)械吊臂進(jìn)行物體的轉(zhuǎn)載，例如在搭建橋梁的過程中對橋體進(jìn)行對接，在汽車工業(yè)中需要對車體進(jìn)行吊裝等.在通常情況下，常常采用人工手動(dòng)的方式進(jìn)行控制，但是隨著近年來技術(shù)的發(fā)展，在對待加工件轉(zhuǎn)移的時(shí)間和精度控制等方面，這種方式已經(jīng)不再符合現(xiàn)階段的生產(chǎn)過程，所以基于PLC控制平臺(tái)搭建的定位模塊很好的滿足了工業(yè)活動(dòng)自動(dòng)化的要求，而且解決了控制模型建立以及精度計(jì)算的難度.

本文以機(jī)械吊臂為核心的清洗系統(tǒng)，解決了由于長時(shí)間在線路上作業(yè)的大型零部件覆蓋黏著的雜物進(jìn)行清洗效率較低，作業(yè)環(huán)境較差等問題.

1 參數(shù)計(jì)算

控制電機(jī)的方式選擇位置控制模式，在防止電機(jī)運(yùn)行過程中的失步、超步和過沖等現(xiàn)象，電機(jī)的響應(yīng)頻率必須要大于等于所控的脈沖頻率[2- 3]并采用雙梯型曲線模式.由于機(jī)械吊臂需要定位的位置有3個(gè)，所以要求精確計(jì)算機(jī)械吊臂每走一個(gè)工步PLC定位模塊發(fā)送的脈沖數(shù)量、最高速度下發(fā)送的脈沖頻率已及加速度的計(jì)算：

(1)脈沖數(shù)量計(jì)算

(2)脈沖頻率計(jì)算

(3)脈沖加速度計(jì)算

選用PLC內(nèi)部集成運(yùn)動(dòng)控制定位模塊，該定位模塊速度是梯形曲線，為了使運(yùn)動(dòng)過程更加穩(wěn)定采用的是加速減速同樣的斜率，實(shí)現(xiàn)與 PLC定位模塊的性能更加匹配，可以繪制出速度雙梯形曲線如圖1所示，第二段曲線是降低車鉤入槽速度，使定位更加精確[4- 5].

圖1 速度雙T型曲線

2 設(shè)計(jì)方案

選用MAC1610運(yùn)動(dòng)控制系列PLC為系統(tǒng)主控制器，CPS100為電源模塊，EIO100和EIO160分別是數(shù)字量輸入、輸出模塊，和EA100、EA150組成的模擬量輸入、輸出模塊.機(jī)械部分由機(jī)械吊臂機(jī)構(gòu)、待清洗件支架、清洗室和控制臺(tái)組成.設(shè)計(jì)方案框圖為圖2所示.

圖2 設(shè)計(jì)方案圖

3 定位模型

創(chuàng)建原點(diǎn)位置、清洗位置和取件位置三點(diǎn)定位的示意圖，如圖3所示.

圖3 定位示意圖

由圖所示，取件位置和清洗位置分別位于原點(diǎn)位置兩側(cè)，依據(jù)機(jī)械臂三軸均可自由移動(dòng)，建立以原點(diǎn)位置(即吊鉤所在位置)為模型原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系模型，如圖4所示.

圖4 定位與計(jì)算模型

原點(diǎn)位置為O點(diǎn)，取件位置和清洗位置分別為Q和P點(diǎn)，對應(yīng)Ⅷ和Ⅵ象限.在從O點(diǎn)定位到Q點(diǎn)過程中，可測量是OQ和Q點(diǎn)到O點(diǎn)視角α，和X軸方向Q點(diǎn)坐標(biāo)(明確定位量a1).假設(shè)QQ0為OQ在XY坐標(biāo)軸下的投影，c1則為QQ0在Z軸方向的投影；m為伺服驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖倍頻，p為電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，s為坐標(biāo)間距，L為絲杠螺距，則可以精確定位到Q點(diǎn)的位置：

從Q點(diǎn)定位到P點(diǎn)在Z軸不變的基礎(chǔ)上建立XY軸坐標(biāo)系模型，如圖5所示.

圖5 兩點(diǎn)定位模型

在定位至P點(diǎn)的過程中，要想計(jì)算Y軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)，必須知道從Q1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P1的弧長l，OQ1和OP1分別為OQ和OP在XY坐標(biāo)面上的投影，選擇最優(yōu)定位路線，即做P1至Y軸的垂直線p相交于M，連接Q1和P1，以Q1P1為一條邊，另一條邊為q使兩邊的夾角等于∠Q1P1O0，q和p相交的點(diǎn)O0即為運(yùn)動(dòng)路徑的圓心，滿足∠O0Q1P1=∠Q1P1O0，并且已知Q和P點(diǎn)的XY軸坐標(biāo)，可以計(jì)算出Q1P1的長度為：

因?yàn)椤螿1P1O0已知，可以求得運(yùn)動(dòng)路徑所在圓的半徑為：

進(jìn)而可以得到：

同理可以求得從P點(diǎn)回到原點(diǎn)的定位路徑.在選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)動(dòng)路徑的時(shí)候，由于清洗室的上端安裝有插槽，所以需要考慮到吊銷進(jìn)入插槽中的定位軌跡，圖6為三種不同的入槽角度.

圖6 旋轉(zhuǎn)角度模型

通過實(shí)驗(yàn)證明，在選擇A1A2軌跡進(jìn)行入槽定位比B1B2和C1C2軌跡要穩(wěn)定、準(zhǔn)確，因?yàn)椴宀鄣陌伎谑瞧街泵?，在B1B2和C1C2軌跡中，入槽的角度要小于垂直于凹口入槽的角度，如圖7所示.

圖7 A1A2軌跡圖

這樣可以求取三點(diǎn)的定位坐標(biāo)和最優(yōu)軌跡路線，將計(jì)算出來的脈沖數(shù)寫入PLC定位模塊中進(jìn)行自行尋跡.

4 主程序設(shè)計(jì)

清洗系統(tǒng)的流程圖如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

在主程序中，為了實(shí)現(xiàn)三軸定位精確，使用了大工計(jì)控PLC的運(yùn)動(dòng)控制中相對定位指令MC_MoveRelative和MC_Stop指令.其中四個(gè)主要參數(shù)是Distance、Velocity、Acceleration和Deceleration[6- 7].為了讓機(jī)械臂定位邏輯正確，添加了VW200和VW201兩個(gè)標(biāo)志位(圖9)，根據(jù)數(shù)組關(guān)系確定對應(yīng)的定位信息.

前項(xiàng)分別由0至4組成，0代表待命狀態(tài)，“1”表示圖4中從O點(diǎn)定位到Q點(diǎn)過程，“2”表示Q點(diǎn)到P點(diǎn)過程，“3”表示進(jìn)入清洗室，“4”表示從P點(diǎn)回到O點(diǎn)過程.后項(xiàng)代表機(jī)械臂XYZ三軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)用Move_W指令，在運(yùn)動(dòng)到指定地點(diǎn)后標(biāo)志位置1，將數(shù)組中對應(yīng)的數(shù)值移至主程序中，T9是該軸所需的延時(shí)，延時(shí)過后主程序會(huì)自行判斷該行使哪一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)的參數(shù).

圖9 VW200、VW201數(shù)組

上位機(jī)采用Dview組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)界面的設(shè)計(jì).與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式是通過以太網(wǎng)線連接[8]，上位機(jī)自動(dòng)模式界面圖如圖10所示.

圖10 上位機(jī)自動(dòng)模式界面

操作者選擇需要清洗的待加工件號(hào)便可以自動(dòng)清洗，與實(shí)際機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)情況一一對應(yīng).

5 結(jié)論

該清洗系統(tǒng)清洗的速度可以實(shí)現(xiàn)3 min清洗一次，定位精度優(yōu)于1 mm，實(shí)現(xiàn)機(jī)械吊臂懸掛待加工件高速準(zhǔn)確無誤自動(dòng)裝入清洗室插銷中，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足清洗時(shí)的安全和高效.

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Positioning Control Design of Manipulator based on PLC

YAO Shixuan1,LI Lun1,ZHONG Chongquan2

(1.School of EMU Application & Maintenance Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Insitute of Control Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

According to the control of automatic lifting arm in the cleaning system of large parts, the PLC control platform is composed of a control unit, an actuator and a display platform. The working principle of the control system is introduced, the mathematical model of the manipulator is established, and the motion path of the control system is calculated and analyzed. PLC mainly control the movement of the manipulator, the control computer screen display large parts cleaning status information and operation control, the paper gives the system hardware circuit and software design. The system of mechanical lifting arm positioning accuracy is within 1 mm, and it can realize mechanical boom suspension coupler high-speed accurate load automatically cleaning room bolt and realize automatic operation.

motion control;orientation module;PLC

1673- 9590(2017)05- 0061- 04

A

2016- 07- 18

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAF20B02)

姚世選(1976-)，男，副教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、智能傳感與機(jī)器人的研究 E-mail:ysx@djtu.edu.cn.