0 引言

　　南京理工大學泰州科技學院機械工程學院為提升機械工程及自動化、機械電子等專業(yè)實驗實訓課效果，自行 設 計 開 發(fā) 了 教 學 型 柔 性 制 造 系 統(tǒng) （FMS，即Ｆｌｅｘｉｂｌｅ?。停幔睿酰妫幔悖簦酰颍椋睿纭。樱螅簦澹恚?。該系統(tǒng)以工業(yè)生產型柔性制造系統(tǒng)為設計藍本，主要由原料庫站、移動小車站、分揀站、加工站、顏色檢測站、零件庫站、廢品庫站等分站組成，通過PLC控制與現(xiàn)場總線組態(tài)，實現(xiàn)原料出庫、材料檢測、分揀、加工、噴漆烘干、顏色檢測、廢品入庫、零件入庫等整個生產過程的自動控制與組態(tài)。加工站為整個系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括數(shù)控機床（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)控機床和后期處理箱之間的轉移）等硬件設備。本文在簡介教學型FMS加工站輸送系統(tǒng)結構組成和控制要求的基礎上，著重闡述加工站輸送系統(tǒng)控制部分的設計。

1　加工站輸送系統(tǒng)

　　圖1為加工站主體結構示意圖。工業(yè)機器人、交流伺服電機、工作臺、導軌副、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、伺服驅動器等電控器件均安裝在電控柜內。

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

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

圖1加工站主體結構示意圖

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)機器人多點定位控制；②工業(yè)機器人在不同定位點實現(xiàn)不同抓取動作的控制。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，驅動工作臺運行的伺服電機為森創(chuàng)80ＣＢ－75Ｃ交流伺服電機（自帶2500線編碼器），配套選用森創(chuàng)ＭＳ－0020Ａ型全數(shù)字交流伺服驅動器，工件的抓取運送由Ｋａｗａｓａｋｉ川崎工業(yè)機器人完成。其中，森創(chuàng)80ＣＢ－75Ｃ型交流伺服電機的額定輸出功率為750 Ｗ、電機轉子慣量為1．03Ｎ·ｍ，額定轉速為3　000ｒ／ｍｉｎ；森創(chuàng)ＭＳ－0020Ａ伺服驅動器采用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 多點定位控制

　　圖2為多點定位示意圖。按照控制要求，帶動工業(yè)機器人的工作臺需在原點、第一定位點Ａ、第二定位點Ｂ之間往復運行。根據(jù)運行特點和規(guī)律，本定位控制采用相對定位方式，即將下一定位點相對于當前位置的距離作為運行位移量。

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

圖2 定位點示意圖

　　西門子ＣＰＵ226兩個高速脈沖輸出口可分別工作在ＰＴＯ（脈沖串輸出）和ＰＷＭ（脈寬調制）狀態(tài)下。在ＰＴＯ方式中，PLC可生成一個50％占空比脈沖串，用于步進電機或伺服電機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現(xiàn)：設置伺服驅動器工作于位置脈沖運行模式（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，實現(xiàn)工作臺運行距離（由脈沖數(shù)決定）和運行方向的控制。

　　實現(xiàn)工作臺多點定位控制的關鍵點包括：①點與點之間運行距離所對應的脈沖數(shù)應精確；②至下一運行點所對應的脈沖數(shù)寫入狀態(tài)控制字應及時；③方向控制位改變設定應及時準確。其中，第一點精確脈沖數(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與終止點距離所對應的脈沖數(shù)。另外兩個關鍵點的控制則通過軟件編程實現(xiàn)，可采用高速計數(shù)器在中斷模式下寫入（計數(shù)到則中斷），也可通過軟件編程設置定位點標志位，在工作臺到達定位點時執(zhí)行寫入指令，輸入新的脈沖計數(shù)值和方向控制位。

　　2.2 工業(yè)機器人搬運工件控制

　　根據(jù)整個輸送系統(tǒng)的控制要求，工業(yè)機器人需要在定位點Ａ、Ｂ各執(zhí)行兩次不同的取放工件的動作，共計4次，4次動作軌跡均不相同。本設計通過工業(yè)機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)機器人控制柜內的ＣＮ4連接器上，4個Ｉ口分別與PLC的4個輸出端口連接，見表1。

　　在實際運行中，工業(yè)機器人轉為再現(xiàn)運行模式。在再現(xiàn)運行模式下，不同的抓取動作需執(zhí)行不同的程序，通過PLC向其對應的輸出口發(fā)送一上升沿脈沖即可完成程序的啟動。如，需要工業(yè)機器人完成“將工件放至 后 期 處 理 箱 內”動 作，則 在PLC程 序 中 短 時（0．3ｓ～0．5ｓ）置位Ｑ1．3為1即可（若置位時間過長，工業(yè)機器人將反復執(zhí)行當前程序，產生誤操作）。

表1 工業(yè)機器人與主控PLC端口對應說明

2.3 控制系統(tǒng)硬件設計

　　本設計硬件圖見圖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)軟件設計

　　本設計控制程序由主程序以及5個子程序組成。5個子程序分別為初始化子程序、電機前行子程序、電機復位子程序、手動子程序、自動子程序和中斷子程序。部分程序如下：

　?。?）初始化子程序：

3 結束語

　　本控制系統(tǒng)經(jīng)反復運行驗證，可實現(xiàn)加工站輸送系統(tǒng)手動單循環(huán)、自動多循環(huán)的運行控制。本輸送系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于采用交流伺服系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)機器人的多點精確定位，同時將工業(yè)機器人作為工件運送機構而非普通的機械手。實際應用中，通過對工業(yè)機器人的編程控制，可自由地實現(xiàn)機器人移送工件的速度控制、移送軌跡調整等，滿足了實踐教學要求。