基于PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)械手上下料系統(tǒng)

一  PMC6496的特點(diǎn)

PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器是雷賽公司在獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，精心研發(fā)的一款具有PLC特點(diǎn)的高性能產(chǎn)品。由于其全面支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)梯形圖編程語(yǔ)言，在邏輯控制上完全可以與中、小型PLC媲美。同時(shí)，其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能更是傳統(tǒng)中、小型PLC無(wú)法匹敵的。

1 .PMC6496的硬件性能

圖1為PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。



圖1  PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)

PMC6496基于嵌入式處理器和FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，插補(bǔ)算法、脈沖信號(hào)的產(chǎn)生及加速和減速控制、I/O信號(hào)的檢測(cè)處理，均由硬件和固件實(shí)現(xiàn)，確保了運(yùn)動(dòng)控制高速、高精度及系統(tǒng)穩(wěn)定。該系列控制器可控制4個(gè)步進(jìn)或伺服電機(jī)，具有最高5MHz脈沖頻率、四軸直線插補(bǔ)、兩軸圓弧插補(bǔ)、連續(xù)曲線插補(bǔ)、S形曲線速度控制等高級(jí)功能。通過(guò)簡(jiǎn)單的編程即可開發(fā)出穩(wěn)定可靠的高性能連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

除了4個(gè)電機(jī)控制端口外，還提供了豐富的I/O接口和通訊接口：光電隔離I/O接口、擴(kuò)展I/O接口、D/A輸出、PWM輸出、編碼器接口、手搖脈沖發(fā)生器接口。1個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、2個(gè)串行口，可通過(guò)網(wǎng)口或串口與PC機(jī)通信；同時(shí)還可以通過(guò)串口連接其它設(shè)備，如：手持編程器、觸摸屏、PLC等?？赏ㄟ^(guò)U盤接口用U盤方便地存儲(chǔ)文件和參數(shù)。Flash用于存儲(chǔ)用戶程序、鐵電存儲(chǔ)器用于參數(shù)的掉電保存。PMC6496的主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1  PMC6496控制器硬件性能



2. PMC6496的功能特性

PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)控制性能優(yōu)異的，工作穩(wěn)定可靠，梯形圖編輯環(huán)境友好。其主要特點(diǎn)如下：

簡(jiǎn)單易學(xué)：由于梯形圖是自動(dòng)化行業(yè)工程師最熟悉的編程語(yǔ)言，因此PMC6496的推出，大大降低了運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用門檻，使用戶更容易上手，快速開發(fā)自己的設(shè)備。

強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能：PMC6496可控制4軸步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)進(jìn)行4軸直線插補(bǔ)，任意2軸圓弧插補(bǔ)，多軸連續(xù)插補(bǔ)?？蛇M(jìn)行橢圓，螺旋等軌跡控制。并且，PMC6496配置了2048段指令緩沖，有效地保證了高速軌跡運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和平滑度。

友好的梯形圖編輯環(huán)境：全面支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)梯形圖編程語(yǔ)言，支持子程序，梯形圖比較，看門狗，單步調(diào)試等功能，梯形圖開發(fā)更加方便快捷。

HMI設(shè)備支持：PMC6496可與基于標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的人機(jī)界面進(jìn)行通訊，包括：觸摸屏、文本顯示器、手持編程器等。用戶只需在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，按相應(yīng)的寄存器地址映射公式正確設(shè)置各種軟元件的Modbus地址即可，而幾乎不需要編寫任何程序代碼。

網(wǎng)絡(luò)通訊：PMC6496是一款基于10/100M以太網(wǎng)的PLC，可以使得梯形圖調(diào)試、下載等在線操作更加流暢。

二  機(jī)械手上下料的運(yùn)動(dòng)軌跡

某客戶的生產(chǎn)線上需要使用機(jī)械手上下料，結(jié)構(gòu)如圖2所示。X軸執(zhí)行水平左右運(yùn)動(dòng)，Y軸執(zhí)行豎直上下運(yùn)動(dòng)，手爪由氣缸控制執(zhí)行抓取動(dòng)作。它們的任務(wù)是將右側(cè)工裝上的工件依次抓取至左側(cè)傳送帶上。X軸原點(diǎn)距離傳送帶上工件放置點(diǎn)為W，工裝上第一個(gè)工件距離傳送帶上工件放置點(diǎn)為S，工裝上每個(gè)工件之間的距離均為L(zhǎng)。



圖2  機(jī)械手上下料系統(tǒng)組成

通常，大多數(shù)用戶會(huì)將X、Y的運(yùn)動(dòng)軌跡確定為矩形，即Y軸上下運(yùn)動(dòng)完成后X軸再水平運(yùn)動(dòng)，然后Y軸再次上下運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行。但這樣的方式會(huì)導(dǎo)致比較強(qiáng)烈的抖動(dòng)，并且造成一定的時(shí)間浪費(fèi)。

因此，可采用圖4所示的運(yùn)動(dòng)軌跡，在2個(gè)拐彎處，X、Y軸進(jìn)行一段半徑為R的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，這樣可大大減弱抖動(dòng)，且能節(jié)省時(shí)間。A點(diǎn)為起始點(diǎn)，抓取并放置第1個(gè)工件的路徑為A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K，抓取并放置第2個(gè)工件的路徑與第一個(gè)相同，只不過(guò)A→B和F→G的距離增加了長(zhǎng)度L，第3個(gè)、第4個(gè)、第5個(gè)亦然。

PMC6496支持連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，在連續(xù)插補(bǔ)模式下，速度是連續(xù)的，各插補(bǔ)段之間沒有加減速過(guò)程，從而使得運(yùn)動(dòng)更加平滑。運(yùn)行CONTI_ENTER功能塊后進(jìn)入連續(xù)插補(bǔ)模式，加入要求的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡，使用LINE_START功能塊啟動(dòng)連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，PMC6496以連續(xù)插補(bǔ)模式運(yùn)行完所有運(yùn)動(dòng)軌跡。



圖3  連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)



圖4  機(jī)械手上下料運(yùn)動(dòng)軌跡

三  機(jī)械手上下料控制系統(tǒng)流程

繪制流程圖，如圖5所示。每次啟動(dòng)時(shí)，將抓取次數(shù)重置為0，抓取5次后結(jié)束。“夾緊”和“松開”為氣缸動(dòng)作。



 

圖5  機(jī)械手上下料流程圖

 

四  機(jī)械手上下料控制系統(tǒng)的程序

 

機(jī)械手上下料控制系統(tǒng)程序如圖6所示。

 



 

圖6 機(jī)械手上下料程序(程序1-4節(jié))



圖6（續(xù)2）  程序5-22節(jié)



 圖6（續(xù)3）  程序23-37節(jié)      圖6（續(xù)4）  程序38-49節(jié)

 
圖6（續(xù)4）  程序50-65節(jié)

程序中所使用的幾個(gè)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)指令功能塊為PMC6496運(yùn)動(dòng)庫(kù)的一部分，解釋如下：
圖7  圓弧插補(bǔ)功能塊

 

2.                             MOVECIRC

描述：指定的兩軸以當(dāng)前位置為圓弧起點(diǎn)，按已指定的終點(diǎn)位置、圓心位置、插補(bǔ)方向，執(zhí)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。其功能塊如圖7所示。

參數(shù)：

EN：BOOL類型，使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動(dòng)輸入端。

AXIS0：指定參與圓弧插補(bǔ)的第一軸。

AXIS1：指定參與圓弧插補(bǔ)的第二軸。

END0：指定第一軸的圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)。

END1：指定第二軸的圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)。

CENTER0：指定第一軸的圓弧圓心坐標(biāo)。

CENTER1：指定第二軸的圓弧圓心坐標(biāo)。

DIR：USINT（BYTE）類型，指定圓弧插補(bǔ)的方向。

IFABS：指定運(yùn)動(dòng)模式，0-相對(duì)運(yùn)動(dòng)，1-絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2.  PMOVE

描述：指定軸按已設(shè)定的脈沖長(zhǎng)度及方向、起始速度、最大運(yùn)行速度、加速度、減速度以及運(yùn)動(dòng)模式執(zhí)行點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。其功能塊如圖8所示。

圖8  點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)功能塊

參數(shù)：

EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動(dòng)輸入端。

Axis：指定軸號(hào)，范圍為0~3軸。

POS：指定點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置，即脈沖數(shù)，正、負(fù)號(hào)分別表示正方向和負(fù)方向。比如，-10000表示負(fù)方向運(yùn)動(dòng)10000個(gè)脈沖的長(zhǎng)度。

VEL0：指定起始速度（即初速度），單位：脈沖/秒。

VEL1：指定運(yùn)行速度（即最大速度），單位：脈沖/秒。

ACC：指定加速度，單位：脈沖/秒²。

DEC：指定減速度，單位：脈沖/秒²。

IFABS：指定運(yùn)動(dòng)模式，0-相對(duì)運(yùn)動(dòng)，1-絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3.HOMEMOVE

描述：指定軸按已設(shè)定的模式、方向、速度執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作?；卦c(diǎn)完成后，當(dāng)前坐標(biāo)被清0，即視為原點(diǎn)（或稱零點(diǎn)）。其功能塊如圖9所示。

圖9  回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)功能塊

參數(shù)：

EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動(dòng)輸入端。

Axis：指定軸號(hào)，范圍為0~3軸。

DIR：指定回原點(diǎn)方向，1-正向，0-負(fù)向。

MODE：指定回原點(diǎn)模式。

EZ：只對(duì)模式4起作用，即反找原點(diǎn)時(shí)，EZ信號(hào)的個(gè)數(shù)。

VEL：指定回原點(diǎn)速度，單位：脈沖/秒。

4.LINE2

圖10  軸直線插補(bǔ)功能塊
 

描述：指定的兩軸按已指定的終點(diǎn)位置，及運(yùn)動(dòng)模式執(zhí)行直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。其功能塊如圖10所示。

參數(shù)：

EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動(dòng)輸入端。

Axis0：指定參與插補(bǔ)的第一軸，指定范圍為0~3軸。

Axis1：指定參與插補(bǔ)的第二軸，指定范圍為0~3軸。

END0：指定第一軸的目標(biāo)位置，單位：脈沖數(shù)。

END1：指定第二軸的目標(biāo)位置，單位：脈沖數(shù)

VEL1：指定運(yùn)行速度（即最大速度），單位：脈沖/秒。

IFABS：指定運(yùn)動(dòng)模式，0-相對(duì)運(yùn)動(dòng)，1-絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。

五  總結(jié)

綜上所述，PMC6496運(yùn)動(dòng)控制器具有運(yùn)動(dòng)控制功能多、處理I/O信號(hào)能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)；而且采用梯形圖編程十分簡(jiǎn)單、方便，很容易上手；使用PMC6496可以輕而易舉地完成各種自動(dòng)化設(shè)備的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制。

作者簡(jiǎn)介

趙向前  男，工程師 2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)，從事自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)工作。

左  力  男，博士，高級(jí)工程師，1998年華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院畢業(yè)，從事自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)工作。