案例4.3_立体仓库物流伺服控制系统

1、案例4.3_立体仓库物流伺服控制系统一、 设备概述立体仓库物流控制模拟装置是一个机电一体化综合实训平台，由送料单元、环形皮带分拣单元、四轴四自由度机器人搬运单元、交流伺服立体仓库单元、触摸屏监控单元等部分组成，融合了PLC控制技术、PLC定位功能模块应用技术、交流变频驱动技术、步进伺服驱动技术、交流伺服驱动技术、气动控制技术、传感器检测技术、电子应用技术、触摸屏监控技术、通信网络技术以及机械装调技术等机电一体化高新技术的应用。本案例仅对其中的立体仓库单元和机器人搬运单元进行分析。图1 立体仓库物流控制综合实训平台二、系统配置序号名称型号单位数量备注1机器人搬运单元套1（1）直行导轨套1（2）步

2、进电机42BYG34-1204A台2（2）步进电机驱动器BY-2HB03M个2（3）四轴机器人套1（4）PLC 控制系统FX2N-48MT个1（5）通迅模块FX2n-485-BD个1（6）脉冲输出模块FX2N-1PG个1（7）直流电机中大电机个1（8）单叶片式180摆动气缸SMC个1（9）手爪气缸SMC个1（10）电磁阀SMC个2（11）金属传感器ORMON个3(12)磁性开关CS1-J个52立体仓库单元套1（1）立体仓库库架套1（2）堆垛机套1（3）Z轴直行导轨套1（4）X轴直行导轨套1（5）Z轴丝杆套1（6）X轴丝杆套1（7）伺服驱动器MR-E-20A个2（8）Z轴伺服电机HC-KFE23

3、套1（9）X轴伺服电机HC-KFE23套1（10）双联伸缩缸SMC个1（11）抓手气缸SMC个1（12）电磁阀SMC个2（13）金属传感器ORMON个6（14）磁性开关CS1-J个2(15)光电开关BR100-DDT个1(16)PLC 控制系统FX2N-48MT个1(17)通迅模块FX2n-485-BD个1(18)485通迅电缆自制根1三、机器人搬运单元的控制1、机械手搬运单元结构简介执行机构由直行导轨、同步轮、同步带、四轴四自由度机器人组成。其中机器人第一轴旋转轴由步进电机执行，第二轴手臂上下摆动轴由摆动气缸驱动，第三轴手爪夹紧放松由气缸驱动，第四轴手腕翻转轴由直流电机执行旋转。机器人的直行

4、也是由步进电机执行的。机器人的结构如图2所示。控制单元由FX2N-48MT PLC、FX2N-1PG模块、FX2N-485BD模块、金属传感器、电磁阀、磁性开关等元件组成。 图2 机器人搬运单元结构图2、气动系统原理图与机器人搬运单元电气控制气动系统原理图如图3所示, 机器人搬运单元控制电路原理图如图4所示。图3 气动系统原理图图4 机器人搬运单元电气原理图3、机器人搬运单元的运动控制机器人的旋转和直行运动分别由2台二相步进电机执行，步进电机的型号为42BYG-24VDC，步距角为1.8。而步进电机是由BY-2HB03M型步进驱动器进行驱动。BY-2HB03M型步进驱动器的外形如图5所示：图5

5、 BY-2HB03M型步进驱动器步进驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号CP+,CP-； 方向电平信号U/D+，U/D-；脱机信号FREE+，FREE-。对这三路信号可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。通过调整驱动器拨码开关三位的ON、OFF位置设定驱动器的细分数，以改变步进电机的步距角。细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数。拨码开关与细分数的关系如下：位1，2，3细分数步距角00020.9001160.1125010320.05625011640.02812510050.36101100.18110200.09111400.045步进电机相电流是用驱

6、动器上的电位器来设定，使驱动器输出电流与步进电机相电流相一致。电位器的调整如右图所示。机器人的旋转步进电机用PLC输出端的Y0作高速输出控制；直行步进电机用PLC的扩展功能模块FX2N-1PG进行控制。FX2N-1PG为脉冲发生器单元，通过向伺服或步进电机的驱动器提供指定数量的脉冲（最大100k PPS）来实现一个独立轴（不包含多轴之间的插补控制）的简单定位。FX2N-1PG的信号端子及其功能见表1。PLC使用FROM/TO指令读写其内部BFM来实现对FX2N-1PG的控制。各个BFM的定义见表2。关于FX2N-1PG更详细的说明，可参见三菱FX2N-1PG用户指南。机器人的任务是将货物（以圆

7、柱形料块模拟货箱）在提货平台与入仓平台之间进行搬运，如图6所示：图6 机器人搬运路径示意图表1 FX2N-1PG的信号端子机器人的动作根据控制要求可手动或自动运行。手动时触发一次“正转”按钮，机器人手臂沿顺时针方向旋转30；触发一次“反转”按钮，则逆时针转动30，若感应到旋转原点信号则立即停止该方向运行。按“下摆”按钮机器人手臂下摆到限位处；放开“下摆”按钮则手臂上摆回正常状态。触发一次“手爪翻转”按钮，则机器人手腕翻转180；触发一次“手爪转回”按钮，则机器人手腕翻转回正常。按下“右移”按钮，机器人沿导轨右移，松开按钮即停止右移；按 “左移”按钮时，则机器人以同样的方式沿导轨左移。所有的手动

8、/自动选择开关及各按钮，包括自动启动按钮等均在触摸屏画面中操作。在自动方式时，按下启动按钮后，机器人按照下列动作顺序流程从提货平台搬运货件放到入仓平台上：机器人直行及手臂旋转均回到原点位置手臂顺时针旋转30对准提货平台松开手爪手臂下摆到限位处手爪夹紧货件手臂上摆机器人向右行走800mm至目标位置手臂顺时针旋转120对准入仓平台手臂下摆松开手爪手臂上摆手爪夹紧手臂逆时针摆回旋转原点机器人向左直行600mm停止。（从入仓平台向提货平台搬运货件的控制过程本例中不作介绍）32表2FX2N-1PG BFM的定义搬运机器人控制系统I/O分配如表3所示：表31#PLC I/O分配表输入点功能输出点功能触摸屏

9、设置变量功能X0步进旋转原点Y0脉冲输出M0启动信号X1摆动汽缸上摆限位Y20方向信号输出M1停止信号X2摆动汽缸下摆限位Y3手臂摆动汽缸电磁阀M2手臂正转信号X3抓手电机左转限位Y4抓手汽缸电磁阀M3手臂反转信号X4抓手电机右转限位Y5抓手电机右转继电器M4手臂下摆信号PG0-直行原点传感器Y6抓手电机左转继电器M5手爪翻转信号DOG直行减速点传感器D0脉冲数设置值M6手爪转回信号STOP直行限位点传感器D100机器人当前位置值M7机器人左移信号M900入仓平台已空标记M30发送旋转电机脉冲标记M8机器人右移信号M800货件已送入仓平台标记M9手动/自动选择信号步进电机驱动器参数设置：1#直

10、行电机驱动器：电流：1.0A细分设置：拨码100,电机步距角0.36，每1000个脉冲电机转1圈，对应机械人直行移动7mm，机器人移动1mm需要142.857个脉冲。2#旋转电机驱动器：电流：1.0A细分设置：拨码101,电机步距角0.18，每2000个脉冲电机转1圈，对应机械人手臂转动15.5，手臂转1圈需要46440个脉冲。搬运机器人控制程序如下：四、立体仓库单元的控制1、立体仓库的结构简介执行机构由一个3层3列的立体仓库库架、堆垛机、入仓平台、X轴和Z轴直行导轨、X轴和Z轴丝杆、两套伺服电机组成，如图7所示。控制单元由FX2n-48MT PLC、FX2n-485-BD通信模块、伺服驱动器

11、、电磁阀、接近开关、磁性开关等组成。图7 立体仓库的结构2、堆垛机的电气控制原理图货箱由搬运机器人搬送到立体仓库的入仓平台后，由堆垛机搬往库架。送入由触摸屏上指定编号的仓位（触摸屏连接在1#PLC上，2#PLC所需用的数据通过RS-485接口进行传送）。堆垛机的X轴及Z轴的运动分别由2台伺服电机驱动。控制电路图如图8所示。图8 立体仓库电气控制原理图3、三菱MR-E-20A伺服驱动器简介三菱通用AC伺服MR-E-A系列是在MR-J2-Super系列的基础上开发的，保持了原系列的高性能但是限定了某些功能。它具有位置控制和速度控制等2种控制模式，而且能够在这2种模式之间切换运行，适用于以加工机床和

12、一般加工设备的高密度定位和平稳的的速度控制为主的各种领域。在位置控制模式时，用最高500kpps的高速脉冲串执行电机旋转速度和方向的控制，分辨率为10000脉冲/转的高精度定位。另外，位置平滑功能可根据设备从2种方式中选择适当的方式，对于急变的位置指令可实现平滑的启动和停止。在速度控制模式时，用由参数构成的内部速度指令（最多7速）对伺服电机的旋转速度和方向进行高密度的平滑控制。另外，对于速度指令，它还具有进行加减速时的常数设置和停止时的伺服锁定功能。MR-E系列伺服驱动器的标准规格如表4所示：表4MR-E系列伺服驱动器的标准规格伺服放大器 MR-E-项目10A20A40A70A100A200A

13、电源电压、频率三相AC200230V，5060Hz或单相交流230V，5060Hz三相AC200230V，5060Hz允许电压波动三相AC200230V：170至253v单相交流230V：207至253V三相AC170至253V允许频率波动5%方式正弦波PWM控制，电流控制系统动力断路器内置保护功能过电流断路，再生过电压断路，过负载断路（电子热敏），编码器出错保护，再生制动器出错保护，欠电压、瞬时失电保护，过速保护位置控制模式最大输入脉冲频率500kpps（差动接收器时）200kpps（集电极开路时）指令脉冲频率（电子齿轮）电子齿轮A/B倍 A:165535 131072 B:1655351/

14、50A/B500定位结束宽度设置010000脉冲（指令脉冲单位）误差过大10转转矩限制参数设置速度控制模式速度控制范围内部速度命令1:5000速度波动率0.01%（负载波动0100%）0%（电源波动10）转矩限制参数设置构造自冷，开放（IP00）强冷，开放（IP00）环境环境温度运行0+55（无冰冻）保存-20+65（无冰冻）环境湿度运行90%HR以下（不结露）保存空气室内（不受直射阳光照射），五腐蚀性气味，无易燃气体，无油雾，无尘埃标高海拔1000m以下振动5.9m/ s2以下MR-E-100A以下的伺服驱动器面板布置及各部分名称如图9所示：图9 伺服驱动器面板布置及各部分名称驱动器的CN1

15、为输入输出信号插座，对CN1中的信号分配，因控制模式的不同，对各引脚的信号分配也有所不同。部分引脚所定义的信号可通过相关的参数设置加以变更。具体参见表5。表5的“I/O”列中I为输入信号，O表示为输出信号。控制模式中的P表示为位置控制模式；S表示速度控制模式；P/S表示位置/速度切换模式。表5中各个信号名称的说明见表6所示。MR-E-A系列伺服驱动器的参数一览表见表7。更详细的信号说明及参数说明请参见三菱通用AC伺服 MR-E-A伺服放大器使用手册。表5CN1信号分配表连接器引脚号（注1）I/O（注2）控制模式下的输入输出信号相关参数PP/SSCN11VINVINVIN2OPCOPC3IRES

16、RES/ST1ST1No.43484ISONSONSONNo.43485ICRLOPST2No.43486ILSPLSPLSPNo.43487ILSNLSNLSNNo.4348IEMGEMGEMG9OALMALMALMNo.4910OINPINP/SASANo.4911ORDRDRDNo.4912OZSPZSPZSPNo.1，4913SGSGSG14LGLGLG15OLALALA16OLARLARLAR17OLBLBLB18OLBRLBRLBR19OLZLZLZ20OLZRZLRLZR21OOPOPOP22IPGPG/-23IPPPP/-24INGNG/-25INPNP/-26表6 输入/输出

17、信号名称的说明简称信号名称简称信号名称SON伺服ONRD准备就绪LSP正转行程终端ZSP零速度检测LSN反转行程终端INP定位结束CR清除SA速度到达SP1速度选择1ALM故障SP2速度选择2WNG警告PC比例控制OP编码器Z相脉冲（集电极开路）ST1正转启动MBR电磁制动器互锁ST2反转启动LZ编码器Z相脉冲（差动驱动）TL转矩限制选择LZRRES复位LA编码器A相脉冲（差动驱动）EMG外部紧急停止LARLOP控制切换LB编码器B相脉冲（差动驱动）PP正转、反转脉冲串LBRNPVIN数字I/F用电源输入PGOPC集电极开路电源输入NGSG数字I/F用公共端TLC转矩限制中LG控制公共端VLC

18、速度限制中SD屏蔽表7 MR-E-A参数一览表 分类No.简称名称控制模式初始值单位用户设置值0*STY控制模式和再生用选购件选择P S(注1)1*OP1功能选择1P S00022AUT自动调谐P S00053CMX电子齿轮分子（指令脉冲倍率分子）P14CDV电子齿轮分母（指令脉冲倍率分母）P15INP到达位置范围P100plus6PG1位置控制增益1P35rad/s7PST位置指令加减速时间常数（位置平滑）P3ms8SC1内部速度指令1S100r/min9SC2内部速度指令2S500r/min10SC3内部速度指令3S1000r/min11STA速度加速时间常数S0ms12STB速度减速时间

19、常数S0ms13STCS形加减速时间常数S0ms14生产厂设置用015*SN0站号设置P S0站16*BPS串行通信功能选择、报警记录清除P S000017MOD模拟监视器输出P S010018*DMD状态显示选择P S000019*BLK参数写入禁止P S000020*OP2功能选择2P S000021*OP3功能选择3（指令脉冲选择）P000022*OP4功能选择4P S000023FFC前馈增益P0%24ZSP零速度P S50r/min25生产厂设置用026生产厂设置用10027*ENR编码器输出脉冲P S4000plus/rev28TL1内部转矩限制P S100%29生产厂设置用030

20、生产厂设置用031MO1模拟监视器1偏置P S0mV32MO2模拟监视器2偏置P S0mV33MBR电磁制动器序列输出P S100ms34GD2对于伺服电机的负载转动惯量比P S700.1倍35PG2位置控制增益2P35rad/s36VG1速度控制增益1P S177rad/s37VG2速度控制增益2P S817rad/s38VIC速度积分补偿P S48ms39VDC速度微分补偿P S98040生产厂设置用041*DIA输入信号自动ON选择P S000042*DI1输入信号选择1P S000243*DI2输入信号选择2（CN1-4）P S011144*DI3输入信号选择3（CN1-3）P S08

21、8245*DI4输入信号选择4（CN1-5）P S099546*DI5输入信号选择5（CN1-6）P S000047*DI6输入信号选择6（CN1-7）P S000048LSPNLSP LSN输入端子选择P S040349*DO1输出信号选择1P S000050生产厂设置用000051*OP6功能选择6P S000052生产厂设置用000053*OP8功能选择8P S000054*OP9功能选择9P S000055*OPA功能选择AP000056SIC串行通讯超时选择P S0s57生产厂设置用1058NH1机械共振抑制滤波器1P S000059NH2机械共振抑制滤波器2P S000060LPF

22、低通滤波器、自适应减振控制P S000061GD2B对于伺服电机的负载转动惯量比2P S700.1倍62PG2B位置控制增益2变更比率P100%63VG2B速度控制增益2变更比率P S100%64VICB速度积分补偿变更比率P S100%65*CDP增益切换选择P S000066CDS增益切换阀值P S10（注2）67CDT增益切换时间常数P S1ms68生产厂设置指令用069CMX2指令脉冲倍率分子2P170CMX3指令脉冲倍率分子3P171CMX4指令脉冲倍率分子4P172SC4内部速度指令4S200r/min73SC5内部速度指令5S300r/min74SC6内部速度指令6S500r/m

23、in75SC7内部速度指令7S800r/min76TL2内部转矩限制2P S100%77生产厂设置用1007810000791080108110082100831008404、堆垛机的运动控制立体仓库单元的堆垛机系统，是由两套伺服电机带动两轴滚珠丝杠实现堆垛机的定位控制，分别为X 轴（水平运动）和Z 轴（垂直运动），通过两轴伺服电机运动脉冲，构成各操作点坐标数。因此，同时控制两轴运动，就可对堆垛机进行高精度定位操作。在立体仓库的库架上共有9个仓位，仓位编号如下表所示：（右端）第3列第2列第1列（左端）第3层9#仓位8#仓位7#仓位第2层6#仓位5#仓位4#仓位第1层3#仓位2#仓位1#仓位入仓

24、平台从X轴及Z轴原点到入仓平台的距离分别为60mm及150mm。 从入仓平台到1#仓位的水平距离是180mm,垂直距离是50mm（1#仓位在入仓平台下方）。各列之间的距离均为120mm，各层的高度均为100mm。X轴和Z轴滚珠丝杆的螺距均为5mm，伺服电机所配旋转编码器的分辨率为10000脉冲/转。设置伺服驱动器主要参数如表8所示,其它参数采用驱动器的出厂初始值：表8伺服驱动器设置的主要参数轴号参数号出厂初始值设定值功能介绍X轴P010001000电机功率200W，电机系列HC-XFE，位置控制模式P3130电子齿轮分子P411电子齿轮分母P190000000C参数写入禁止功能(允许写入扩展参

25、数1)P2100000001功能选择3(指令脉冲形式选择为带符号的脉冲串)P4100000001输入信号自动ON选择（SON自动ON，LSP、LSN由外部输入使之ON/OFF）Z轴P010001000电机功率200W，电机系列HC-XFE，位置控制模式P3172电子齿轮分子P4110电子齿轮分母P190000000C参数写入禁止功能(允许写入扩展参数1)P2100000001功能选择3(指令脉冲形式选择为带符号的脉冲串)P4100000001输入信号自动ON选择（SON自动ON，LSP、LSN由外部输入使之ON/OFF）根据参数设置及库架中各库位的尺寸关系，可计算出到各个位置所需的脉冲数。从水

26、平及垂直原点到入仓平台所需X轴和Z轴的脉冲数分别为4000和42000。从入仓平台到各仓位所需脉冲数计算方法为：D1,D0中为到目标仓位X轴脉冲数；D3,D2中为到目标仓位Z轴脉冲数。D1D0=D4D7+12000。其中D4为X轴每列所需脉冲数（8000）；D7为到目标的列数。D3D2=D5D613900。其中D5为Z轴每层所需脉冲数(27778)；D6为到目标的层数。堆垛机的操作具有手动和自动两种方式。手动控制要求：触发X 轴右移信号，堆垛机向右移动，触发X轴左移信号，堆垛机左移；触发Z 轴上升控制信号，堆垛机上升运动，触发Z 轴下降信号堆垛机下降运行。按下手爪伸出按钮，入仓汽缸伸出，放开按钮则汽缸缩回。按下手爪松开按钮，堆垛机手爪松开，放开按钮则手爪夹紧。自动控制要求：触发启动信号，堆垛机回原点。在入仓平台上已放上料块的条件下，堆垛机驶入入仓平台。然后夹取料块后，