工业网络及应用技术 课件 -项目5 直角坐标机械手在生产中的应用

项目5直角坐标机械手在生产中的应用目录2.1项目描述2.2知识准备2.3任务1用PLC控制电机运转2.4任务2触摸屏应用2025/7/2313:285.1项目描述1.项目目标（1） 学习Modbus总线协议（2） 了解系统的基本构成（3） 熟悉SoMachine软件平台（4） 学习两种PLC和ATV变频器Modbus数据通讯数据交互的方式（5） 学习VijeoDesignerBasic触摸屏编程软件的基本操作（6） 学习HMI和PLC通讯原理2025/7/2313:285.1项目描述1.项目目标1）巩固触摸屏的基础编程，掌握了通过通讯的方法控制变频器以及伺服电机。2）巩固PLC的基础编程3）巩固变频器的EtherNetIP通讯控制4）巩固伺服电机的Canopen通讯控制5）了解直角坐标机械手的控制工艺6）学习根据工艺流程进行项目分解7）学习项目的具体实施2.实践环境硬件设备：项目5的硬件设备列于表5.1中，表中设备在“工业网络实训平台”上。软件环境：SoMachine编程软件、VijeoDesignerBasic1.1编程软件实验设备清单及说明实验设备数量备注TM241CEC24T1施耐德PLCLXM28AU02M3X2伺服驱动器BCH2MB0133CA5C2BCH伺服电机ATV320U04M2C1ATV320变频器,0.37kWVW3A36161Ethernet/IP通讯卡USBMiniB线1PLC下载程序调试使用5.1项目描述3.任务要求项目5是一个综合性的实训项目，把项目1～项目4的理论知识和实践操作进行整合，用一个“直角坐标机械手在生产中的应用”案例来训练学生的综合应用能力。该项目要求用M241PLC采用Ethernet/IP总线通信控制ATV320变频器运行，变频器控制电机模拟传送皮带，采用Canopen现场总线通信控制两个Lexium28伺服运行，两个伺服电机带动滚珠丝杆做成的XY工作台，模拟一个机械手，在矩阵中抓取产品，往皮带上放置，通过皮带传送到后道生产线上。具体工艺要求见5.3.2章节的详细工艺流程介绍。操作任务1构建系统一、

操作任务1构建系统系统架构如图5.1所示，将PLC、触摸屏以及变频器扩展卡的以太网口全部接到交换机上。将PLC的Canopen接口连接到两台伺服驱动器上。下面对系统的工艺进行介绍。一、

操作任务1构建系统1.机械传动结构两个伺服电机分别控制两个滚珠丝杆做定位，两个滚珠丝杆垂直搭建，组成一个直角坐标系的实验平台，模拟直角坐标机械手，而变频器控制的电机，则用来模拟传送皮带。一、

操作任务1构建系统2．工艺流程原理根据示意图5.3，在该直接坐标系里，为了简化系统，将原点定位为PlacePonit，原点位置的圆圈红点是机械手的工作点（抓点），然后设定一个7*10的等间距固定矩阵，矩阵的XY轴方向的间距在触摸屏上可以修改。在该矩阵中等间距整齐地堆了70个产品（浅红色点的），按下自动运行按钮，系统自动流程启动，首先启动传送带Belt以设定的频率运行，然后机械手从原点开始，定位到矩阵的第一行第一列[1,1]，抓取到产品后，延时0.5s（时间可设），返回到原点，将产品放置到皮带上，延时0.5s（时间可设）后，接着定位到矩阵的第一行第二列[1,2]，抓取下一个产品放置到皮带上，以此类推，将整个矩阵的70个产品全部抓取放置到皮带上，通过皮带输送给后道生产线。为了简化系统，这里不考虑产品堆放的层数，也不考虑不规则的产品等各种混合堆放这些特殊情况。操作任务2项目任务分析二、操作任务2项目任务分析1．基本工作概览一个完成的控制系统一般是由人机界面、控制器、执行机构这三大块组成。该直接坐标机械手系统的人机界面用一个触摸屏实现，控制器采用一个M241PLC，而执行机构则是一台变频器带动一个电机组成的传送带Belt，以及两套LXM28伺服控制的滚珠丝杆组成的XY坐标机械手。因此，我们在该实验中，要完成的基本工作是1）触摸屏的界面开发2）PLC的程序开发3）运行程序，验证动作流程的正确性。2．项目分解在实际工业生产中，通常一个项目都是很庞大很复杂的，当我们拿到一个项目的时候，首先要了解其工艺要求，通过工艺流程的分析，将项目分解成几个独立的小块，我们可以一块块地将任务完成，最后融合成一个完整的项目。根据该项目的工艺流程，我们可以将项目分割成如下的5个部分。① 变频器手动控制② XY轴伺服的手动控制③ 工艺参数④ 自动流程⑤ 报警处理操作任务3PLC程序设计三、

操作任务3PLC程序设计1）程序框架设计主程序由SFC编程语言搭建（如图5.4所示），SFC是流程图式的程序架构，这种架构更加直观易懂。在SFC程序中每一个方框就是一个子程序段，各个程序段的执行顺序如下：PLC上电后，执行Init初始化程序，第二个扫描周期判断条件是TRUE，直接跳转到下面的并行分支，Input、Calculate、Motion、Inverter程序在一个扫描周期内按从左到右的顺序执行。每个扫描周期都是如此，程序的结尾跳转条件是False，因此程序永远不会再跳回Init初始化程序。因此Init初始化程序只在PLC上电的第一个扫描执行一次。三、

操作任务3PLC程序设计而Manual手动程序和Auto自动程序，是选择分支，Manual_In和Auto_In这两个条件，谁先满足就执行谁，两个程序段永远只有其中一个被执行，每个扫描周期只执行一次，其执行顺序也遵循从左到右的原则，因此整个主程序的执行顺序是Input、Calculate、Manual或者Auto、Motion、Inverter。这种程序结构适合绝大部分项目，SFC还有一个特点，鼠标双击任何一个程序框，就可以直接进入该程序段，对其进行编辑和监控。这样的程序架构更加直观清晰。Input、Calculate、Manual、Auto、Motion、Inverter程序段编写各自的程序代码，这样逻辑更加清晰。三、

操作任务3PLC程序设计2）按照项目的工艺要求，我们需要实现变频器以及伺服基本手动操作，以及自动操作，还有矩阵相关参数的设置，因此我们必预先规划好一些基本操作需要的BOOL型变量，以及矩阵相关的DINT类型变量，对其进行变量定义及地址分配，变量定义如图三、

操作任务3PLC程序设计3）Init初始化程序用于一些变量的初始化赋值，如图4）Input输入程序用于PLC输入信号的处理，此案例开关按钮都是用触摸屏来虚拟，因此该程序段可以留空。5）Calculate数据计算程序根据设定的XY轴的起始位置坐标，以及XY轴每点之间的间距，计算出矩阵每点的坐标位置。程序代码如图三、

操作任务3PLC程序设计6）Manual手动程序当手自动选择开关切到手动模式的时候，执行该程序，可以控制输送皮带起停，或者对XY轴进行点动。程序代码如图7）Auto自动程序用ST语言编写自动流程程序，结合二维数组，令整个逻辑程序变得非常简单易懂。程序代码如图5.9所示。按下启动按钮，HMI_xStart变量变为TRUE，检测其上升沿，当XY轴都回过原点（IsHomed），则将自动工步变量iAutoStep赋值为2，程序进入Case流程如下：① 执行第2步的程序代码，启动皮带Belt并且初始化一些变量信号，并且将XY的目标工步初始化为1。接着自动工步变量iAutoStep赋值为10。三、

操作任务3PLC程序设计② 执行第10步的程序代码，将[1，1]的XY轴目标位置赋给XY轴的目标定位位置，启动定位，自动工步变量iAutoStep赋值为12。③ 执行第12步的程序代码，判断XY轴定位到位，启动Pick延时，自动工步变量iAutoStep赋值为14。④ 执行第14步的程序代码，计算下一个目标位置的数组下标，自动工步变量iAutoStep赋值为16。⑤ 执行第16步的程序代码，判断Pick延时时间到，自动工步变量iAutoStep赋值为20。⑥ 执行第20步的程序代码，将XY轴的目标定位位置设置为原点0，启动定位，自动工步变量iAutoStep赋值为22。⑦ 执行第22步的程序代码，判断XY轴定位到位，启动Place延时，自动工步变量iAutoStep赋值为24。⑧ 执行第24步的程序代码，判断Place延时时间到，自动工步变量iAutoStep赋值为26。⑨ 执行第26步的程序代码，判断是否切到手动模式，如果HMI_xAutoMode变量状态是1，则iAutoStep赋值28进入28工步；如果HMI_xAutoMode变量状态是0，则iAutoStep赋值0退出Case流程；⑩ 执行第28步的程序代码，判断是否完成整个矩阵的抓取，如果抓完iAutoStep赋值2，进入工步2重新从[1,1]位置抓取；如果没有抓完iAutoStep赋值10，进入下一个抓取位置。三、

操作任务3PLC程序设计三、

操作任务3PLC程序设计三、

操作任务3PLC程序设计8）Motion程序Motion程序里一共有3个功能块，“Line_ABS_X”、“AxisControlX”和“AxisControlY”，程序如图5.10所示。三、

操作任务3PLC程序设计Line_ABS_X功能块如图5.11所示：根据机械手的当前位置以及目标位置，以及机械手运行的合成速度，通过该功能块，将合成速度分解到X轴和Y轴的速度，这样保证机械手走X轴方向距离和Y轴方向距离不一样的时候，可以同时到达目标位置，类似于直线插补的效果，这样机械手运行效果看起来会更加平滑。AxisControlX、AxisControlY功能块：是将前面第三章的实验里的X、Y轴伺服的控制程序，打包成一个大的轴控功能块，如此一来在XY轴这种多轴控制程序里，只要反复调用该功能块就可以实现对伺服的控制，这样大大简化了程序。9）Inverter程序变频器的EtherNetIP控制程序如图操作任务4触摸屏程序编写四、

操作任务4触摸屏程序编写1）根据PLC变量表，建立好所有的BOOL和DINT类型的变量，触摸屏变量定义表如图四、

操作任务4触摸屏程序编写2）利用以前学到的知识，在以前的程序的基础上，设计好伺服手动、自动控制、X轴参数设置、Y轴参数设置等页面，如图操作任务5程序运行及操作五、

操作任务5程序运行及操作按照下述步骤首先下载PLC程序和触摸屏程序然后运行：1）伺服手动程序操作如图5.15所示触摸屏的伺服手动页面操作如下：按下“X轴使能”和“Y轴使能”按钮，伺服就会进入使能状态，在使能状态下才可以对伺服进行操作。“X-Off”或者“X-Off”指示灯变亮，代表该伺服处于报警状态，可以点击“伺服错误复位”按钮将报警消除。 可以修改伺服的点动速度，然后按左右和上下点动按钮，控制机械手点动，将XY轴点动到合理的位置作为坐标系的原点，此时按下“设置原点按钮”，“OK”指示灯点亮代表原点设置成功，此时XY轴的坐标系将以此位置作为原点建立好，只有建立好坐标系，才能进入自动操作。五、

操作任务5程序运行及操作2）Auto程序操作如图5.17所示系统在初始化的时候，已经设置好一组默认坐标参数。在启动自动流程之前，可以进入“X轴参数