項目五 輸送單元的安裝與調試

1、第五章 輸送單元的安裝與調試5.1 輸送單元的結構輸送單元是YL-335A系統(tǒng)中最為重要同時也是承擔任務最為繁重的工作單元。該單元主要完成驅動它的抓取機械手裝置精確定位到指定單元的物料臺，在物料臺上抓取工件，把抓取到的工件輸送到指定地點然后放下的功能。同時，該單元在PPI網(wǎng)絡系統(tǒng)中擔任著主站的角色，它接收來自按鈕/指示燈模塊的系統(tǒng)主令信號，讀取網(wǎng)絡上各從站的狀態(tài)信息，加以綜合后，向各從站發(fā)送控制要求，協(xié)調整個系統(tǒng)的工作。輸送單元由抓取機械手裝置、步進電機傳動組件、PLC模塊、按鈕/指示燈模塊和接線端子排等部件組成。5.1.1 抓取機械手裝置圖5-1 抓取機械手裝置具體構成如下：1氣動手爪：雙作

2、用氣爪由一個二位五通雙向電控閥控制，帶狀態(tài)保持功能用于各個工作站抓物搬運。雙向電控閥工作原理和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器類似即輸出狀態(tài)由輸入狀態(tài)決定，如果輸出狀態(tài)確認了即使無輸入狀態(tài)雙向電控閥一樣保持被觸發(fā)前的狀態(tài)。2雙桿氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手爪伸出縮回3回轉氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手臂正反向90度旋轉，氣缸旋轉角度可以任意調節(jié)范圍0180度，調節(jié)通過節(jié)流閥下方兩顆固定緩沖器進行調整。4提升氣缸：雙作用氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于整個機械手提升下降以上氣缸運行速度快慢由進氣口節(jié)流閥調整進氣量進行速度調節(jié)。5.1.2 按鈕/指示燈模塊該

3、模塊放置在抽屜式模塊放置架上，模塊上安裝的所有元器件的引出線均連接到面板上的安全插孔，面板布置如圖5-3所示。圖5-3 按鈕/指示燈模塊按鈕/指示燈模塊內安裝了按鈕/開關，指示燈/蜂鳴器和開關穩(wěn)壓電源等三類元器件，具體如下： 按鈕/開關：急停按鈕1只，轉換開關2只，復位按鈕黃、綠、紅各1只，自鎖按鈕黃、綠、紅各1只。 指示燈/蜂鳴器：24V指示燈黃、綠、紅各2只，蜂鳴器1只。 開關穩(wěn)壓電源：DC 24 V/6 A、12 V/2 A各一組。5.2 輸送單元的設備安裝5.3 輸送單元的氣路設計與連接輸送單元的抓取機械手裝置是氣動驅動的，其氣動控制回路如圖5-4所示。圖5-4 氣動控制回路原理圖圖中

4、，驅動氣動手指氣缸的電磁閥采用的是二位五通的帶手控開關的雙側電磁先導控制閥（簡稱雙電控電磁閥），雙電控電磁閥采用兩端都用電磁線圈控制的方式。 雙電控電磁閥外形如圖5-5所示。圖5-5 雙電控氣閥雙電控電磁閥與單電控電磁閥的區(qū)別在于，對于單電控電磁閥，在無電控信號時，閥芯在彈簧力的作用下會被復位，而對于雙電控電磁閥，在兩端都無電控信號時，閥芯的位置是取決于前一個電控信號。注意：雙電控電磁閥的兩個電控信號不能同時為“1”，即在控制過程中不允許兩個線圈同時得電，否則，可能會造成電磁線圈燒毀，當然，在這種情況下閥芯的位置是不確定的。5.4 輸送單元的電路設計與接線輸送單元的電氣接線與其他單元不同，PL

5、C與按鈕/指示燈/直流電源模塊、步進電機驅動器模塊間的接線是通過安全導線插接的，而PLC與該單元的傳感器、氣動電磁閥等的接線則是用安全導線插接到接線端子排上的安全插孔上，再由接線端子排引出的。同樣，步進電機驅動器輸出電源線、分揀單元變頻器的輸出線和控制端子引出線也是經(jīng)接線端子排引出，此外，其他各工作單元的直流工作電源，也是由按鈕/指示燈/直流電源模塊提供，經(jīng)接線端子排引到各單元上。接線端子排的接線表如下表所示。步進電機傳動組件用以拖動抓取機械手裝置作往復直線運動，完成精確定位的功能。圖5-2 是該組件的正視和俯視示意圖。圖中，抓取機械手裝置已經(jīng)安裝在組件的滑動溜板上。圖5-2 步進電機傳動組件

6、的正視和俯視示意圖已經(jīng)安裝好的步進電機傳動組件和抓取機械手裝置如圖5-1所示。圖5-35.5 輸送單元程序編制與系統(tǒng)調試5.5.1 PLC的選型和I/O 接線輸送單元所需的I/O點較多。其中，輸入信號包括來自按鈕/指示燈模塊的按鈕、開關等主令信號，單元各構件的傳感器信號等；輸出信號包括輸出到抓取機械手裝置各電磁閥的控制信號和輸出到步進電機驅動器的脈沖信號和驅動方向信號；此外尚須考慮在需要時輸出信號到按鈕/指示燈模塊的指示燈、蜂鳴器等，以顯示本單元或系統(tǒng)的工作狀態(tài)。由于需要輸出驅動步進電機的高速脈沖，PLC應采用晶體管輸出型?；谏鲜隹紤]，選用西門子S7-226 AC/DC/DC型PLC，共24

7、點輸入，16點晶體管輸出。PLC安裝在模塊盒中，如圖5-6所示。PLC的引出線都連接面板上的安全插孔處。面板上每一輸入插孔旁都設有一個鈕子開關，該開關的2根引出線分別連接到PLC輸入端的公共參考點和相應的輸入點，開關板到接通位置時，使該輸入點ON，可以用于程序調試。須注意的是，在調試后要把開關板回OFF位置，以免影響正常程序的運行。圖5-6 S7-226 PLC模塊面板輸送單元PLC的輸入端和輸出端接線原理圖分別如圖5-7和圖5-8所示。在接線圖中輸入端連接了一些開關和按鈕，輸出端連接了一些指示燈和蜂鳴器，僅僅是作為例子，實際接線時應按工作任務的需要加以考慮。圖5-7 輸送單元PLC的輸入端接

8、線原理圖圖5-8 輸送單元PLC的輸出端接線原理圖5.5.2輸送單元的控制要求如前所述。輸送單元是YL-335A系統(tǒng)中最為重要同時也是承擔任務最為繁重的工作單元，可以把該單元所需完成的工作任務歸納為如下三方面：1、網(wǎng)絡控制2、抓取機械手裝置控制3、步進電機定位控制網(wǎng)絡控制的問題已經(jīng)在第二章闡述，但輸送站應向網(wǎng)絡發(fā)送什么信息，從其他各工作站接收到的信息又應如何處理，需要由具體的工作任務所確定，這將留在第八章再舉例說明。5.5.3 輸送單元的步進電機及其驅動器輸送單元所選用的步進電機是Kinco三相步進電機3S57Q-04056，與之配套的驅動器為Kinco 3M458三相步進電機驅動器。1、3S

9、57Q-04056部分技術參數(shù)如下：參數(shù)名稱步距角相電流（A）保持扭矩阻尼扭矩電機慣量參數(shù)值1.8°5.8A1.0Nm0.04Nm0.3kg.cm23S57Q-04056的三個相繞組必須連接成三角形，接線圖如圖5-9所示。圖5-9 3S57Q-04056的接線2、Kinco 3M458三相步進電機驅動器主要電氣參數(shù)如下：供電電壓：直流24V40V輸出相電流：3.0A5.8A控制信號輸入電流：620mA冷卻方式：自然風冷該驅動器具有如下特點；采用交流伺服驅動原理，具備交流伺服運轉特性，三相正弦電流輸出。內部驅動直流電壓達40V，能提供更好的高速性能。具有電機靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下的自動半流功能

10、，可大大降低電機的發(fā)熱。具有最高可達10000步/轉的細分功能，細分可以通過撥動開關設定。幾乎無步進電機常見的共振和爬行區(qū)，輸出相電流通過撥動開關設定?？刂菩盘柕妮斎腚娐凡捎霉怦罡綦x。采用正弦的電流驅動，使電機的空載起跳頻率達5kHz,(1000步/轉)左右。在3M458 驅動器的側面連接端子中間有一個紅色的八位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數(shù)。圖5-10是該DIP開關功能說明。圖5-10 3M458 DIP開關功能說明驅動器的典型接線圖如圖5-11所示，YL-335A中，控制信號輸入端使用的是DC24V電壓，圖5-11中的限流電阻R1為2K，此外，F(xiàn)REE端也沒有使

11、用。圖5-11 3M458的典型接線圖YL-335A為3M458 驅動器提供的外部直流電源為DC24V，6A輸出的開關穩(wěn)壓電源，直流電源和驅動器一起安裝在模塊盒中，驅動器的引出線均通過安全插孔與其他設備連接。圖5-12是3M458步進電機驅動器模塊的面板圖。圖5-12 3M458步進電機驅動器模塊的面板3、步進電機傳動組件的基本技術數(shù)據(jù)3S57Q-04056步進電機步距角為1.8度，即在無細分的條件下200個脈沖電機轉一圈（通過驅動器設置細分精度最高可以達到10000個脈沖電機轉一圈）。步進電機傳動組件采用同步輪和同步帶傳動。同步輪齒距為5mm，共11個齒，即旋轉一周機械手裝置位移55mm。Y

12、L335-A系統(tǒng)中為達到控制精度，驅動器細分設置為10000步/轉即（每步機械手位移0.0055mm），電機驅動電流設為5.2A。5.5.4 S7-200 PLC的脈沖輸出功能1、概述S7-200有兩個PTO/PWM發(fā)生器，用以建立高速脈沖串（PTO）或脈寬調節(jié)（PWM）信號波形。一個發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點Q0.0，另一個發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點Q0.1。其中，PTO提供方波（50%占空比）輸出，脈沖周期和數(shù)量可由用戶控制。每個PTO/PWM發(fā)生器有一個控制字節(jié)（8位），一個周期值和脈寬值（不帶符號的16位值）和一個脈沖計值（不帶符號的32位值）。這些值全部存儲在特殊內存（SM）區(qū)域的指定位置。

13、一旦設置這些特殊內存位的位置，選擇所需的操作后，執(zhí)行脈沖輸出指令PLS即啟動操作。該指令會從特殊存儲器SM中讀取數(shù)據(jù)，使程序按照其存儲值控制PTO/PWM發(fā)生器通過修改SM區(qū)域中（包括控制字節(jié)）要求的位置，就可以更改PTO或PWM的信號波形特征，然后執(zhí)行PLS指令。PTO/PWM控制寄存器包括狀態(tài)位控制寄存器、控制位控制寄存器及其其他PTO/PWM寄存器。用于Q0.0的這三種寄存器如表5-1，表5-2和表5-3所示。表5-1 Q0.0的狀態(tài)位控制寄存器SM66.4PTO輪廓由于計算錯誤異常中止0 = 無錯：1=異常中止SM66.5PTO輪廓由于用戶命令異常中止0 = 無錯：1=異常中止SM66

14、.6PTO管線溢出下溢0 = 無溢出；1=溢出/下溢SM66.7PTO空閑0 = 進行中; 1=PTO空閑表5-2 Q0.0的控制位控制寄存器SM67.0PTO/PWM更新周期值0 = 無更新；1 = 更新周期SM67.1PWM更新脈寬時間值0 = 無更新；1 = 更新脈寬SM67.2PTO更新脈沖計值0 = 無更新；1 = 更新脈沖計數(shù)SM67.3PTO/PWM選擇0 = 1 s/tick； 1 = 1ms/tickSM67.4PWM更新方法0 = 異步更新； 1 = 同步更新SM67.5PTO操作0 = 單段操作；1 = 多段操作SM67.6PTO/PWM模式選擇0 = 選擇PTO； 1

15、= 選擇PWMSM67.7PTO/PWM啟用0 = 禁用PTO/PWM；1 = 啟用PTO/PWM表5-3 Q0.0的其他PTO/PWM寄存器SMW68PTO/PWM周期值（范圍：2至 65535）SMW70PWM脈寬值（范圍：0至65535）SMD72PTO脈沖計值（范圍：1至4294967295）SMB166進行中的段數(shù)（僅用于多段PTO操作）SMW168輪廓表起始位置，用距離V0的字節(jié)偏移量表示（僅用于多段PTO操作）SMB170線性輪廓狀態(tài)字節(jié)SMB171線性輪廓結果寄存器SMB172手動模式頻率寄存器2、PTO的操作模式PTO可提供單脈沖串或多脈沖串（使用脈沖輪廓）。 PTO脈沖串的

16、單段管線在單段管線模式，需要為下一個脈沖串更新特殊寄存器。一旦啟動了起始PTO段，就必須按照第二個波形的要求改變特殊寄存器，并再次執(zhí)行PLS指令。第二個脈沖串的屬性在管線中一直保持到第一個脈沖串發(fā)送完成。在管線中一次只能存儲一段脈沖串的屬性。當?shù)谝粋€脈沖串發(fā)送完成時，接著輸出第二個波形，此時管線可以用于下一個新的脈沖串。重復這個過程可以再次設定下一個脈沖串的特性。 PTO脈沖串的多段管線在多段管線模式，CPU自動從V存儲器區(qū)的包絡表（輪廓表）中讀出每個脈沖串的特性。在該模式下，僅使用特殊存儲器區(qū)的控制字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)。選擇多段操作，必須裝入包絡表在V存儲器中的起始地址偏移量（SMW168）。時間

17、基準可以選擇微秒或者毫秒，但是，在包絡表中的所有周期值必須使用同一個時間基準，而且在包絡正在運行時不能改變。執(zhí)行PLS指令來啟動多段操作。3、計算包絡表的值在步進電機控制中，主要是應用PTO/PWM發(fā)生器的多段管線功能。例如：可以用帶有脈沖包絡的PTO來控制一臺步進電機，來實現(xiàn)一個簡單的加速、勻速和減速過程或者一個由最多255段脈沖包絡組成的復雜過程，而其中每一段包絡都是加速、勻速或者減速操作。圖5-13中的示例給出的包絡表值要求產(chǎn)生一個輸出波形包括三段：步進電機加速（第一段）；步進電機勻速（第二段）和步進電機減速（第三段）。圖5-13包絡表值計算示例對該例，假定需要4000個脈沖達到要求的電

18、機轉動數(shù)，啟動和結束頻率是2kHz，最大脈沖頻率是10kHz。注意，由于包絡表中的值是用周期表示的，而不是用頻率，需要把給定的頻率值轉換成周期值。所以，啟動和結束的脈沖周期為500s，最高頻率的對應周期為100s。在輸出包絡的加速部分，要求在200個脈沖左右達到最大脈沖頻率。也假定包絡的減速部分，在400個脈沖完成。包絡表值計算的任務是提供包絡的總段數(shù)和每一段初始周期、周期增量和脈沖數(shù)。所謂周期增量，就是該段的加速度，即單位脈沖間隔的周期變化量。計算公式為：給定段的周期增量 =（ECTICT）/Q其中：ECT=該段結束周期值ICT=該段初始周期值Q=該段的脈沖數(shù)量由上式可得加速部分（第1段）的

19、周期增量為：（100s-500s）/200 = -2s由于第2段是恒速控制，因此，周期增量是0。相似地，減速部分（第3段）的周期增量是1s。假定包絡表存放在從VB500開始的V存儲器區(qū)，表5-4給出了產(chǎn)生所要求波形的值。該表的值可以在用戶程序中用指令放在V存儲器中。也可以在數(shù)據(jù)塊中定義包絡表的值。表5-4 包絡表的值V存儲器地址值中斷描述VB5003總段數(shù)VW501500初始周期段#1VW503-2周期增量VD505200脈沖數(shù)VW509100初始周期段#2VW5110周期增量VD5133400脈沖數(shù)VW517100初始周期段#3VW5191周期增量VD521400脈沖數(shù)以上只是一個簡單的包絡

20、表值計算的例子，但提供了包絡表值應包含的信息以及計算步驟，為編制多段管線模式的PTO應用程序打下了基礎。4、使用多段操作的脈沖串輸出舉例 PTO初始化為了進行多段操作的脈沖輸出配置和初始化PTO，應編制一個初始化子程序。在主程序中，使用首次掃描內存位（SM0.1）將PTO使用的輸出Q0.0初始化為0，并調用子程序，執(zhí)行初始化操作。從主程序建立對初始化例行程序的調用后，即可建立控制邏輯實現(xiàn)多段操作的脈沖串輸出控制。下面是用語句表編寫的程序清單。NETWORK 1 / 用于多段脈沖串操作的主程序（PTO）/ 首次掃描時，將映像寄存器位設為低/ 并調用子程序0LD SM0.1R Q0.0 1CALL

21、 SBR_0NETWORK 1 / 子程序0開始 / 預載PTO輪廓表LD SM0.0MOVB 3 VB500 / 將輪廓表段數(shù)設為3 / 段1：MOVW +500 VW501 / 將段1的初始周期設為500毫秒MOVW -2 VW503 / 將段1的周期增量設為-2毫秒MOVD +200 VD505 / 將段1中的脈沖數(shù)設為200 / 段2：MOVW +100 VW509 / 將段2的初始周期設為100毫秒MOVW +0 VW511 / 將段2的周期增量設為0毫秒MOVD +3400 VD513 / 將段2中的脈沖數(shù)設為3400 / 段3：MOVW +100 VW517 / 將段3的初始周期

22、設為100毫秒MOVW +1 VW519 / 將段3的周期增量設為+1毫秒MOVD +400 VD521 / 將段3中的脈沖數(shù)設為400NETWORK 2LD SM0.0MOVB 16#A8 SMB67 / 設置控制字節(jié)：/ - 選擇PTO操作/ - 選擇多段操作/ - 選擇毫秒增加/ - 啟用PTO功能MOVW +500 SMW168 / 將輪廓表的該起始地址 / 指定為V500。ATCH INT_0 19 / 將中斷例行程序0定義為 / 處理PTO完成中斷的中斷。ENI / 全局中斷啟用PLS 0 / 激活PTO操作，PLS0 => Q0.0MOVB 16#89 SMB67 / 預載

23、控制字節(jié)，用于隨后的周期改動。從上面多段操作的脈沖串輸出示例可以看到，即便是一個簡單的多段操作的脈沖串輸出功能，編程仍然是比較煩瑣的，實際工程上的做法，通常是使用位控向導編程。5.5.5 使用位控向導編程STEP7 V4.0軟件的位控向導能自動處理PTO脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡表。本節(jié)將給出一個在YL-335A上實現(xiàn)的簡單工作任務例子，闡述使用位控向導編程的方法和步驟。表5-5是YL-335A上實現(xiàn)步進電機運行所需的運動包絡。表5-5 步進電機運行的運動包絡運動包絡站點脈沖量移動方向1供料站加工站 470mm856002加工站裝配站 286mm520003裝配

24、站分解站 235mm427004分揀站高速回零前 925mm168000DIR5低速回零單速返回DIR使用位控向導編程的步驟如下：在STEP7 V4.0軟件命令菜單中選擇 工具位置控制向導并選擇配置S7-200PLC內置PTO/PWM操作單擊“下一步”選擇“QO.0” 單擊“下一步”選擇“線性脈沖輸出（PTO）”單擊“下一步”填寫最高電機速度“90000”和電機啟動停止速度“600”單擊“下一步”填寫電機加速時間“1500”和電機減速時間 “200”單擊“下一步”出現(xiàn)配置運動包絡界面請單擊“新包絡”提示“增加一個新的運動包絡嗎？”選擇“是”出現(xiàn)如下圖所示如上圖中所示新建了包絡“0”，一個包絡里

25、可以完成29步獨立動作，在本系統(tǒng)中只需要單步即梯形加速曲線。在系統(tǒng)選擇相對位置控制，面有一個單速連續(xù)旋轉用于回零用，填寫包絡“0”中數(shù)據(jù)目標速度“60000”， 結束位置“85600”如下圖所示以上已完成一個包絡的設置，請讀者按上述方法將下表中剩余3個位置數(shù)據(jù)輸入包絡中去。站點位移脈沖量目標速度移動方向供料站加工站 470mm8560060000加工站裝配站 286mm5200060000裝配站分解站 235mm4270060000分揀站高速回零前 925mm16800057000DIR低速回零單速返回20000DIR上表中有一個單速返回即單速連續(xù)運行需要做一個包絡：上面選擇操作模式選擇“單速

26、連續(xù)運行”，寫入目標速度“20000” 下面有一包絡停止操作選項是當停止信號輸入時再向運動方向按設定的脈沖數(shù)走完停止，在本系統(tǒng)不使用。運動包絡編寫完成單擊“確認”，向導會要求為運動包絡指定V存儲區(qū)地址，按“默認”后，單擊“下一步”出現(xiàn)下圖，單擊 “完成”。運動包絡編寫完成后，向導會為所選的配置生成三個項目組件（子程序），分別是：PTOx_RUN子程序（運行輪廓），PTOx_CTRL子程序（控制）和PTOx_MAN子程序（手動模式）子程序。它們的功能分述如下： PTOx_RUN子程序（運行輪廓）命令PLC執(zhí)行存儲于配置輪廓表的特定輪廓中的運動操作。開啟EN位會啟用此子程序。在“完成”位發(fā)出子程序執(zhí)行已經(jīng)完成的信號前，請確定EN位保持開啟。開啟START參數(shù)會發(fā)起輪廓的執(zhí)行。對于在ST