0 引言

　　南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院為提升機(jī)械工程及自動(dòng)化、機(jī)械電子等專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課效果，自行 設(shè) 計(jì) 開 發(fā) 了 教 學(xué) 型 柔 性 制 造 系 統(tǒng) （FMS，即Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）。該系統(tǒng)以工業(yè)生產(chǎn)型柔性制造系統(tǒng)為設(shè)計(jì)藍(lán)本，主要由原料庫站、移動(dòng)小車站、分揀站、加工站、顏色檢測(cè)站、零件庫站、廢品庫站等分站組成，通過PLC控制與現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)，實(shí)現(xiàn)原料出庫、材料檢測(cè)、分揀、加工、噴漆烘干、顏色檢測(cè)、廢品入庫、零件入庫等整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制與組態(tài)。加工站為整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括數(shù)控機(jī)床（完成工件的加工）、后期處理箱（完成工件的噴漆烘干）、輸送系統(tǒng)（完成工件在輸送線、數(shù)控機(jī)床和后期處理箱之間的轉(zhuǎn)移）等硬件設(shè)備。本文在簡(jiǎn)介教學(xué)型FMS加工站輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和控制要求的基礎(chǔ)上，著重闡述加工站輸送系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)。

1　加工站輸送系統(tǒng)

　　圖1為加工站主體結(jié)構(gòu)示意圖。工業(yè)機(jī)器人、交流伺服電機(jī)、工作臺(tái)、導(dǎo)軌副、滾珠絲杠、支架是加工站輸送系統(tǒng)的主要組成部件，控制按鈕、PLC主控單元、伺服驅(qū)動(dòng)器等電控器件均安裝在電控柜內(nèi)。

　　加工站輸送系統(tǒng)工作流程如下：傳送帶有待加工工件→工業(yè)機(jī)器人前行至第一定位點(diǎn)→工業(yè)機(jī)器人從傳送帶抓取工件送入數(shù)控機(jī)床→（機(jī)床開始加工）→加工完畢→工業(yè)機(jī)器人從機(jī)床內(nèi)取工件→工業(yè)機(jī)器人夾持工件前行至第二定位點(diǎn)→工業(yè)機(jī)器人將工件送入后期處理箱→（處理箱進(jìn)行噴漆烘干）→處理完畢→工業(yè)機(jī)器人從烘箱內(nèi)取工件并放至傳送帶上→工業(yè)機(jī)器人復(fù)位至原點(diǎn)。上述工作流程為輸送系統(tǒng)單一循環(huán)的完整過程。此外，為提高生產(chǎn)效率，綜合考慮機(jī)床、后期處理箱及傳送帶工況，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在原點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床、后期處理箱之間循環(huán)移動(dòng)取放工件。

1－傳送帶；2－待加工工件；3－工業(yè)機(jī)器人；4－交流伺服電機(jī)；5－工作臺(tái)；6－數(shù)控機(jī)床；7－后期處理箱；8－導(dǎo)軌副；9－滾珠絲杠螺母副；10－支架

圖1加工站主體結(jié)構(gòu)示意圖

2 基本控制系統(tǒng)

　　本控制系統(tǒng)需完成的主要控制功能有：①工業(yè)機(jī)器人多點(diǎn)定位控制；②工業(yè)機(jī)器人在不同定位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同抓取動(dòng)作的控制。為完成 上 述 控 制 要 求，主 控 單 元 選 用 西 門 子S7－200系列ＣＰＵ226（ＤＣ／ＤＣ／ＤＣ）型PLC，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行的伺服電機(jī)為森創(chuàng)80ＣＢ－75Ｃ交流伺服電機(jī)（自帶2500線編碼器），配套選用森創(chuàng)ＭＳ－0020Ａ型全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，工件的抓取運(yùn)送由Ｋａｗａｓａｋｉ川崎工業(yè)機(jī)器人完成。其中，森創(chuàng)80ＣＢ－75Ｃ型交流伺服電機(jī)的額定輸出功率為750 Ｗ、電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為1．03Ｎ·ｍ，額定轉(zhuǎn)速為3　000ｒ／ｍｉｎ；森創(chuàng)ＭＳ－0020Ａ伺服驅(qū)動(dòng)器采用ＤＳＰ全數(shù)字控制方式，6種脈沖輸入方式，編碼器反饋脈沖可分頻輸出并具有鍵盤及ＬＥＤ數(shù)碼管顯示功能。

　　2.1 多點(diǎn)定位控制

　　圖2為多點(diǎn)定位示意圖。按照控制要求，帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的工作臺(tái)需在原點(diǎn)、第一定位點(diǎn)Ａ、第二定位點(diǎn)Ｂ之間往復(fù)運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)和規(guī)律，本定位控制采用相對(duì)定位方式，即將下一定位點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)前位置的距離作為運(yùn)行位移量。

1－交流伺服電機(jī)；2－聯(lián)軸器；3－滾珠絲杠；4－工作臺(tái)；5－軸承

圖2 定位點(diǎn)示意圖

　　西門子ＣＰＵ226兩個(gè)高速脈沖輸出口可分別工作在ＰＴＯ（脈沖串輸出）和ＰＷＭ（脈寬調(diào)制）狀態(tài)下。在ＰＴＯ方式中，PLC可生成一個(gè)50％占空比脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。本定位控制即采用ＰＴＯ高速脈沖輸出下的位置控制方式實(shí)現(xiàn)：設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器工作于位置脈沖運(yùn)行模式（參數(shù)Ｆ00＝2），通過接收ＣＰＵ226Ｑ0．0（或Ｑ0．1）輸出口發(fā)送的高速脈沖串和Ｑ0．2（或Ｑ0．3）發(fā)送的方向電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)行距離（由脈沖數(shù)決定）和運(yùn)行方向的控制。

　　實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)多點(diǎn)定位控制的關(guān)鍵點(diǎn)包括：①點(diǎn)與點(diǎn)之間運(yùn)行距離所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)應(yīng)精確；②至下一運(yùn)行點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)寫入狀態(tài)控制字應(yīng)及時(shí)；③方向控制位改變?cè)O(shè)定應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確。其中，第一點(diǎn)精確脈沖數(shù)的確定方法是：完成編碼器Ａ、Ｂ相反饋脈沖接至ＣＰＵ226輸入端口的硬件接線，利用ＣＰＵ226的高速計(jì)數(shù)器（如ＨＳＣ0），讀取并記錄狀態(tài)字ＨＣ0的初始值和終止值，兩值之差即為起始點(diǎn)與終止點(diǎn)距離所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。另外兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的控制則通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，可采用高速計(jì)數(shù)器在中斷模式下寫入（計(jì)數(shù)到則中斷），也可通過軟件編程設(shè)置定位點(diǎn)標(biāo)志位，在工作臺(tái)到達(dá)定位點(diǎn)時(shí)執(zhí)行寫入指令，輸入新的脈沖計(jì)數(shù)值和方向控制位。

　　2.2 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工件控制

　　根據(jù)整個(gè)輸送系統(tǒng)的控制要求，工業(yè)機(jī)器人需要在定位點(diǎn)Ａ、Ｂ各執(zhí)行兩次不同的取放工件的動(dòng)作，共計(jì)4次，4次動(dòng)作軌跡均不相同。本設(shè)計(jì)通過工業(yè)機(jī)器人的示教模式完成4段程序的編制，并通過編程分配激活4段程序所需的Ｉ／Ｏ端口。Ｉ口位于工業(yè)機(jī)器人控制柜內(nèi)的ＣＮ4連接器上，4個(gè)Ｉ口分別與PLC的4個(gè)輸出端口連接，見表1。

　　在實(shí)際運(yùn)行中，工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)為再現(xiàn)運(yùn)行模式。在再現(xiàn)運(yùn)行模式下，不同的抓取動(dòng)作需執(zhí)行不同的程序，通過PLC向其對(duì)應(yīng)的輸出口發(fā)送一上升沿脈沖即可完成程序的啟動(dòng)。如，需要工業(yè)機(jī)器人完成“將工件放至 后 期 處 理 箱 內(nèi)”動(dòng) 作，則 在PLC程 序 中 短 時(shí)（0．3ｓ～0．5ｓ）置位Ｑ1．3為1即可（若置位時(shí)間過長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人將反復(fù)執(zhí)行當(dāng)前程序，產(chǎn)生誤操作）。

表1 工業(yè)機(jī)器人與主控PLC端口對(duì)應(yīng)說明

2.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)硬件圖見圖3。圖中的Ｒ1～Ｒ9為限流電阻，阻值均為2ｋΩ。

圖3 硬件接線示意圖

　　2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)控制程序由主程序以及5個(gè)子程序組成。5個(gè)子程序分別為初始化子程序、電機(jī)前行子程序、電機(jī)復(fù)位子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序和中斷子程序。部分程序如下：

　　（1）初始化子程序：

3 結(jié)束語

　　本控制系統(tǒng)經(jīng)反復(fù)運(yùn)行驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)加工站輸送系統(tǒng)手動(dòng)單循環(huán)、自動(dòng)多循環(huán)的運(yùn)行控制。本輸送系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于采用交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的多點(diǎn)精確定位，同時(shí)將工業(yè)機(jī)器人作為工件運(yùn)送機(jī)構(gòu)而非普通的機(jī)械手。實(shí)際應(yīng)用中，通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人的編程控制，可自由地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移送工件的速度控制、移送軌跡調(diào)整等，滿足了實(shí)踐教學(xué)要求。