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        基于PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用

        * 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2015-08-19 * 浏览 : 110
        本文针对太阳能电池组件生产过程中存在的工人劳动强度大和生产效率低等问题,设计一种采用真空吸盘结构的太阳能电池组件搬运机械手,搭建由PLC(可编程控制器)、伺服电机及驱动器构成的控制系统,并提出一种基于PLC的位置伺服控制方法。系统PLC程序采用??榛枷虢猩杓?,并利用组态软件对触摸屏进行组态,通过串行端口建立PLC与触摸屏之间的通讯,实现PLC与触摸屏对搬运机械手的联合控制。应用结果表明,搬运机械手及其控制系统具有较好的交互性与灵活性且机械手自动运行过程稳定可靠达到了预期的设计目的。

          0 引言

          机械手作为一种自动化装备,在生产线上下料作业中可以代替人完成繁重劳动,实现生产的自动化。工业自动化技术水平的不断提高和人们对生产效率提出的新要求,促使机械手技术得到快速发展。PLC具有可靠性高、通用性强和使用简便等优点,能够为自动化设备提供可靠的控制方案,广泛应用于各种工业自动化生产过程。本文针对国内某公司太阳能电池组件生产过程中存在的工人劳动强度大和生产率低等问题,设计一种太阳能电池组件搬运机械手。利用PLC、触摸屏、伺服电机及驱动器搭建搬运机械手的控制系统,提出一种基于PLC的位置伺服控制方法,实现太阳能电池组件生产线传输过程的自动化。

          1 太阳能电池组件搬运机械手的结构与功能

          太阳能电池组件搬运机械手是整个太阳能电池组件生产线上自动化设备的一部分,其主要任务是将太阳能电池组件从托盘搬运到生产线下一单元,根据生产节拍定制整个工作循环小于30s。依据太阳能电池组件(如图1所示)具体的结构尺寸和搬运路线,设计一种大跨度横梁结构的搬运机械手,其整体结构模型如图2所示。该搬运机械手主要由水平移动单元、竖直移动单元、真空吸盘机械手和支架组成。水平方向上由伺服电机经同步带驱动整个机械手在横梁上做水平直线运动。竖直方向上由两个伺服电机同步运动经滚珠丝杠减速带动真空吸盘机械手做垂直直线运动。真空吸盘机械手由15个真空吸盘组成,以保证吸附过程中太阳能电池组件均匀受力。

          图2搬运机械手整体结构模型

          搬运机械手整体吸附机构采用了框架组合结构,材料选用铝合金型材,采用高强度专用螺栓加弹性扣件的内部隐藏连接方式,坚固而又可靠。为了满足用户生产的不同规格太阳能电池组件的搬运操作,搬运机械手真空吸盘的位置可以根据具体的太阳能电池组件尺寸进行调节,从而增强了搬运机械手的适应性。

          2 PLC与触摸屏联合控制系统

          由于PLC的人机交互性能较差,操作人员难以直观地观测PLC和搬运机械手系统的工作状况,故需配备一个上位机来配合PLC进行控制。搬运机械手的控制系统主要包括四个??椋篜LC与触摸屏联合控制???、执行???、检测??楹拖允灸??。根据搬运机械手的功能要求,在设计中,上位机、下位机、执行??楹图觳饽?榉直鸩捎昧舜ッ?、PLC、驱动系统和传感系统,其中显示??榈墓δ苡纱ッ潦迪?,控制系统硬件结构如图3所示。触摸屏作为操作人员与PLC交互的工具,其作用为接收指令输入、显示操作画面和当前的工作状态。PLC及其扩展??榻邮沾衅鞑杉亓啃藕?,同时通过串口与触摸屏实时通讯,并接收触摸屏传来的中间变量信号,发送脉冲信号给驱动器,驱动伺服电机带动机械手运动。

          根据工作过程中所需要I/O点数和控制系统的功能要求,可编程控制器选用了Micro PLC SIMATIC S7-200系列(CPU 224),触摸屏选用了为MicroPLC SIMATIC S7—200应用而定制的具有图形功能的设备SIMATIC HMI K-TP 178micro。伺服电机与驱动器选用了松下公司的AC伺服电机MHMD042P1 C和驱动器MBDDT2210。

          3 PLC位里伺服控制方法

          根据生产过程中太阳能电池组件的搬运路线,搬运机械手控制模式采用点到点的位置伺服控制。位置伺服控制过程通过57-200 CPU发送脉冲序列来完成。CPU发送一个脉冲序列和一个方向信号给伺服驱动器,经过驱动器转换为响应的电压信号提供给伺服电机,驱动器接收伺服电机反馈信号,重新计算伺服电机运动目标的位置,达到精确控制伺服电机运动的目的。图4是由57-200 CPU和松下伺服驱动器MBDDT2210组成的位置伺服控制系统其中MBDDT2210接收来自S7-200 CPU的目标位置和方向的脉冲信号后完成对定位单元的闭环位置伺服控制。

          为了实现PLC的位置伺服控制功能,使用“MAPSERV”指令库的功能块,利用Q0.0和Q0.2或Q0.1和Q0.3输出脉冲串来控制MBDDT2210实现位置伺服控制功能,利用10.0和10.1作为参考点输入实现整个系统寻零功能。在实现位置伺服控制过程中,主要调用的库函数有QO_x_CTRL、QO_x_Home、QO_x_MoveAbsolute、QO_x_MoveVelocity和QO_x_Stop,它们的功能分别是使能位控功能和传递全局参数、寻找参考点位置、绝对位置运动定位、以预置速度运动和停止运动。通过几个库函数的协调调用可以达到准确的位置伺服控制。

          4 控制系统软件设计

          4.1 触摸屏程序设计

          要使触摸屏能够在生产自动化中完成控制和监视的任务,需要对触摸屏进行组态。触摸屏的软件设计包括画面设计和变量连接。为了实现系统功能要求和保证系统较好的人机交互性能,设计的触摸屏操作画面结构如图5所示。

          图5触摸屏操作画面结构

          触摸屏不仅监控和显示当前的工作状态,而且也要对PLC的动作进行控制。所以需要设置变量,建立触摸屏组态变量和PLC的响应I/O点及各个存储单元之间的关系,创建相应的事件,实现触摸屏组态功能对PLC参数的输入,PLC当前值在触摸屏上的输出功能。最后在触摸屏和PLC之间建立通讯,达到实时的监测和控制。

          4.2 PLC程序设计

          4.2.1 PLC的I/O分配

          根据功能要求和位置伺服控制系统中I/O口的绑定,PLC的I/O分配如表1所示。

          4.2.2 系统初始化

          机械手操作前,其水平和垂直方向的位置均是随意的,所以在开机后,进入自动循环之前需要对系统进行初始化。具体操作如下:z轴归零,x轴归零?;凳值幕盗阄辉诠ぷ骺占涞淖笊辖谴?,两坐标轴归零均采用PLC库函数中的QO_x_Home。X轴归零的库函数调用格式如图6所示。

          在初始化过程中,为了尽量减少归零的时间,采用的轨迹路线如图7所示。

          图7归零轨迹路线

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