【《某码垛机器人控制系统设计案例》3800字】

1.某码垛机器人控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20264某码垛机器人控制系统设计案例 140101.1控制系统设计框架 147411.2码垛机器人控制系统关键硬件选型 2162571.2.1PLC选型 2204381.2.2伺服电机选型 2289741.2.3传感器选型 434731.2.4伺服驱动器选型 643121.2.5硬件连接图及IO表 8124511.3码垛机器人控制系统软件设计 9316331.1.1程序流程图 9261831.1.2程序设计 111.1控制系统设计框架PLCPLCX轴伺服电机伺服驱动器X轴伺服电机伺服驱动器机械手Y轴伺服电机伺服驱动器人机交互界面机械手Y轴伺服电机伺服驱动器人机交互界面Z轴伺服电机伺服驱动器Z轴伺服电机伺服驱动器U轴伺服电机伺服驱动器U轴伺服电机伺服驱动器货物检测接近开货物检测接近开关原点限位开关原点限位开关光电对射传感器光电对射传感器图1.1控制系统设计框架示意图码垛机器人工作流程为：第一步按下启动之后系统初始化，系统开始等待运行的指令，如果按下复位按钮，所有轴全部回到机械参考点位置等待新的指令。第二步在当货物在入库端被检测到后，触发带式输送机的光电传感器，伺服电机向前转动，将货物运送到出库端。第三步在货物传输过程中通过PLC将其转换为脉冲坐标传递给机器人。当第四步货物到达预设位置时，触发对射光电传感器停止电机的运行，码垛机器人在这个时候也开始搬运。第五步码垛机器人根据预设的程序，以给定的速度和路线将货物移动到预设的位置。除了上述表述之外，本文还使用了限位报警在日常工作的安全性能，可以使各个轴不会超出行程从而造成安全事故。1.2码垛机器人控制系统关键硬件选型1.2.1PLC选型众所周知，与传统的继电器控制系统相比，PLC具有以下优点:一是安装方便，具有更好的抗电磁干扰能力;二是，PLC的编程比较通俗易懂，只要简单的注释就可以使使用者看懂程序。这里选择SIMATICS7-200，CPU224XP，该小型PLC能够满足本文设计需求。文中选择的PLC具有以下几个方面的特点：（1）CPU224XP有6个高速计数器，不仅有复位输入而且还可编程，2个独立的输入端可以同时加减法计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器；（2）CPU224XP拥有2路高频率脉冲输出，其中最大输出脉冲为20KHZ，用于控制步进电进或伺服电机实现定位功能；（3）此款PLC具有极高的可靠性、极丰富的指令集。易于学习及掌握、其便捷的操作也可以让操作者更快上手、它还拥有丰富的内置集成功能和扩展模块；文中需要的伺服电机数目达到4个，所以脉冲的输出类型为四轴，S7-200只能接两个伺服电机因此增加两个定位模块EM253，1.2.2伺服电机选型伺服电机工作原理：定子结构:交流伺服电机定子由三相绕组线圈和定子硅钢体组成。定子的结构与普通异步电动机基本相同。当三相交流电流作用于三相绕组时，形成旋转磁场。其工作原理与普通电机相同转子结构:交流伺服电机为永磁体。定子所产生的旋转磁场总是吸引了转子的磁极和驱动转子一起旋转,因此定子磁场的轴行保持同步的轴心线转子磁场,转子和定子磁场同步旋转。编码器结构:编码器安装在伺服电机的转轴上，编码器盘随伺服电机的转动而转动。伺服编码器是一种光电编码器，伺服电机的精度取决于编码器分辨率的精度。当电机旋转时，编码器输出脉冲反馈到伺服驱动器形成闭环控制。编码器的工作原理:玻璃码盘随着电机轴的转动使光线在明暗之间变化，由光敏元件接收，经放大整形电路转换成脉冲输出信号。A相和B相两组条纹产生的脉冲信号产值相差90个相位，用于识别电动机的旋转方向。只有一个z相条纹，电机每转产生一个脉冲。它被称为零标志信号或一次转向信号。经过查阅资料和研究，本文选择富士FALDIC-W系列交流小惯量伺服电机GYS401DC2-T2C，其实物图如图1.3所示，相关性能参数为：额定转速3000r/min、额定转矩1.27N.m、最大转矩为1.82N.m、额定功率0.4kw、额定电流2.7A、惯性0.246*10−4kg/m图1.2伺服电机GYS401DC2-T2C17位高分辨率131072脉冲编码器保证了控制精度，通信接口使用2个了RS-485，考虑到惯性和转矩可能不匹配，所以计算校核方式为：首先是进行惯性校核，核算公式为3-1，J<10JJ代表负载惯性力矩大小，JD代表伺服电机惯性矩大小（0.246*10−4kg/其次是移动平台载荷重惯性矩J1J1=Mt代表滚珠丝杠螺距，M1代表移动平台载重质量，计算可得J1=1.26*10−4再次滚珠丝杠惯性矩J2J2=MM2代表滚珠丝杠质量（2kg），D0代表滚珠丝杠公称直径（0.02m）计算可得J2=1.0*10−4又因为公式（3-4），J=J1+J经上面可得J=2.26*10−4kg/mT>T>TTmaxT代表伺服电机额定转矩（1.27Nm），Tf代表系统平稳运行转矩大小，Trms代表系统时效转矩大小，Tmax代表伺服电机最大转矩（1.82Nm），Ta代表系统加速运行转矩大小，Tf主要为了克服系统摩擦，计算方式为3-6，M1代表移动平台及载重质量（26kg），t代表滚珠丝杠螺距（0.01m），表示机械效率（0.9），计算可得Tf=0.17Nm。负载加速运行转矩Ta计算方式如3-7，Ta=n代表伺服电机额定转速（3000r/min），J代表负载惯性（2.26*10−4kg/m2），ta代表系统加速运行时间，计算可得Ta=0.39Nm，基于3-8可得可以算得TaTTbTcTrmsTrms=T其中，tb代表系统匀速运行时间（1.6s），tc代表系统减速运行时间（0.2s），计算可得1.2.3传感器选型接近开关选择欧姆龙/OMRONE2B-M30KN20-WZ-C12M，此接近开关有振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。额定电压为24V，额定电流为1.5A；限位开关选择欧姆龙系列中的D4V-8107Z，限位开关一般利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的，机械允许操作频率为120次/min，电气为30次/min，额定频率为50/60HZ；光电开关选择中国沪工集团E3F1-3DN1.3L型传感器，通过使用光发射器(通常是红外光发射器)和光电接收器来探测物体的距离以及物体是否存在，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，检测距离3m，外形如图1.3，1.4，1.5所示。图1.3欧姆龙/OMRONE2B-M30KN20-WZ-C12M接近开关图1.4欧姆龙限位开关D4V-8107Z图1.5中国沪工集团E3F-SDYI-SLY型传感器1.2.4伺服驱动器选型脉冲当量∆M不是用公式计算出来的,而是根据定位精度或加工精度的要求，除以10确定出来的。例如:要求定位或加工精度为0.01mm,则为保证定位加工精度,脉冲当量应确定为0.01/10=0.001mm。电子齿轮比的计算公式:

a.脉冲当量:∆M=L/E×1/R×D;b.工作台移动距离:

M=∆M×p;

c.伺服电机的转速:

n=(F×60)/E×D

式中:∆M脉冲当量，指令输入一个脉冲，工作台移动的距离。

L-滚动丝杆的螺距（转盘L=360︒)

E-编码器的分辨率，即电机转动一周发出的脉冲数;R-减速器的速比;D-电子齿轮比;

F-指令脉冲的频率;

P-PLC输出的脉冲数值;根据任务书可得，定位精度为0.9mm，脉冲当量∆M=0.9/10=0.09mm。工作台移动距离M=∆M*P,其中P为PLC输出的脉冲数值。可得X轴PLC输出脉冲值为2000，Y轴为400，Z轴为800。伺服驱动器设置为位置控制方式时,须设置电子齿轮比。在速度控制和转矩控制方式时,不需要设置电子齿轮比参数。电子齿轮比就是一个系数,将指令输入脉冲的频率值和脉冲值放大或缩小，转换成输入脉冲信号与编码器反馈脉冲信号相匹配。产生偏差脉冲信号，再经伺服放大器驱动伺服电机运行。电子齿轮比的工作示意图如图1.7所示图1.6电子齿轮比工作示意图设置电子齿轮比的不同目的a.确定上位机控制器(PLC)

输出的脉冲数量,保证定位精度或加工精度。其次再考虑工作台的进给速度;

b.确定旋转转盘的转动角度的精度。

c.确定伺服电机能达到最高转速的目的,不考虑脉冲数的多少。选择富士FALDIC-W系列交流小惯量伺服驱动器GYS401DC2-T2C，实现了低速平稳的运行，标准配备131072脉冲的高分辨率编码器:采用了高分辨率编码器使旋转更加稳定,实现了平稳的机械运行大限度抑制机械振动(的减振控制功能)为解决机器人手臂前端等的振动问题，标准配备减振控制功能:可以减少低刚性机械的振动。上位控制器可以一体化管理伺服放大器的参数。实物如图2.8所示。图1.7伺服驱动器GYS401DC2-T2C实物图1.2.5硬件连接图及IO表图1.8硬件连接图由于S7-200CPU224XP本体只能接两路脉冲输出，所以需要加EM253定位模块，又因为Z轴和R轴脉冲输出接在EM253上且这两根轴并不是同时工作的，所以每根轴的脉冲口和方向口每个都需要两个。经查阅资料EM253定位模块端子名称如下：RPS是机械参考点位置输入，建立绝对运动模式下的机械参考点位置;LMT+是“+方向”运动的硬件极限位置开关，LMT-是“-方向”运动的硬件极限位置开关。图1.9主电路图IO表如下表所示：输入输出启动I0.0X轴脉冲Q0.0停止I0.1Y轴脉冲Q0.1原点I0.2X轴方向Q0.2X轴正向I0.3Y轴方向Q0.3X轴负向I0.4运动指示Q0.4X轴原点I0.5Z轴脉冲P0-,P0+Y轴正向I0.6R轴脉冲P0-,P0+Y轴负向I0.7Z轴方向P1-，P1+Y轴原点I0.8R轴方向P1-，P1+Z轴正向I1.0Z轴负向I1.1R轴正向I1.2R轴负向I1.31.3码垛机器人控制系统软件设计1.1.1程序流程图绘制程序流程图能够是为了编写程序做的准备工作，这样可以使编写出来的程序更加简明实用根据上面的IO表和硬件连接图可以得到下面的流程图。图1.10系统运行流程图上图1.9比较清楚地说明了程序的基本流向。第一步按下启动之后系统初始化，系统开始等待运行的指令，如果按下复位按钮，所有轴全部回到机械参考点位置等待新的指令。第二步在当货物在入库端被检测到后，触发带式输送机的光电传感器，伺服电机向前转动，将货物运送到出库端。第三步在货物传输过程中通过PLC将其转换为脉冲坐标传递给机器人。当第四步货物到达预设位置时，触发对射光电传感器停止电机的运行，码垛机器人在这个时候也开始搬运。第五步码垛机器人根据预设的程序，以给定的速度和路线将货物移动到预设的位置。除了上述表述之外，本文还使用了限位报警在日常工作的安全性能，可以使各个轴不会超出行程从而造成