智能堆垛機(jī)控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目： 智能堆垛機(jī)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)作者： 蘇標(biāo)霖 專業(yè)班級(jí)/學(xué)號(hào)： 0906020141 合作者1： XXX 專業(yè)班級(jí)/學(xué)號(hào)： xxx 合作者2： XXX 專業(yè)班級(jí)/學(xué)號(hào)： xxx 指導(dǎo)教師： XXX 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011年12月5日——2012年2月10號(hào) 目錄 1 引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2 設(shè)計(jì)要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.1機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.2堆垛機(jī)設(shè)計(jì)方案框圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 4 軟、硬件設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4.1.1系統(tǒng)硬件原理圖及工作原理說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4.1.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)知．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.1.3 氣動(dòng)控制回路分析及連接．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)認(rèn)知及應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 4.1.5 S7-200控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 4.2.1程序通信參數(shù)選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 4.2.2軟件系統(tǒng)總流程圖及設(shè)計(jì)思路說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 5 安裝與調(diào)試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 5.1安裝調(diào)試過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 5.1.1立體存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)與功能分析．．．．．．．．．．．．．13 5.1.2立體存儲(chǔ)單元機(jī)械及氣動(dòng)元件安裝與調(diào)整．．．．．．．．14 5.1.3立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)回路分析、安裝與調(diào)試．．．．．．．．15 5.1.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 5.1.5立體存儲(chǔ)單元電氣系統(tǒng)分析、安裝與調(diào)試．．．．．．．．24 5.1.6立體存儲(chǔ)單元控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試．．．．．．．．．．．27 5.2故障分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 6 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 7 使用儀器設(shè)備清單．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 8 收獲、體會(huì)和建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 9 參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 10 附錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 附錄一：人機(jī)界面的四個(gè)界面 .............................. 36 附錄二：各功能模塊的程序注釋及符號(hào)說明................... 38 附錄三：I/O口符號(hào)表說明..................................45 附錄四:25個(gè)存儲(chǔ)倉(cāng)的脈沖分配表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 附錄四：立體存儲(chǔ)站在柔性生產(chǎn)線中的位置實(shí)圖................47 1 引言 　 立體倉(cāng)庫(kù)的產(chǎn)生和發(fā)展是現(xiàn)代物流體系發(fā)展的要求和信息技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。自上世紀(jì)60 年代以來,美、日、歐等國(guó)家和地區(qū)設(shè)計(jì)和投入使用的立體倉(cāng)庫(kù)越來越多,立體倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)已成為一門新興的學(xué)科。有軌堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的主要作業(yè)機(jī)械,擔(dān)負(fù)著出庫(kù)、進(jìn)庫(kù)、盤庫(kù)等任務(wù),是自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心部件。本文以西門子公司S7-200系列PLC機(jī)型為例，研究了堆垛機(jī)的定位控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：堆垛機(jī)；立體倉(cāng)庫(kù)；PLC Abstract The creation and development of stereoscopic warehouse is the request of modern logistics system development and the result of information technique progress. From last century 60s, more and more nations and regions such as the United States, Japan, Europe began to design and devotion the usage of stereoscopic warehouse, which have become a newly arisen academics. Stacker is the core part of automation stereoscopic warehouse, which carries on many main missions for the automation stereoscopic warehouse. The development of automation stereoscopic warehouse take the stacker’s development as it’s main marking. The most important part of the whole warehouse system is laned type of stacker. The reserch of it’s controlling system has wildly application foreground. This paper took the example of Siemens company’s S7-200 series PLC, it reserched the position control system of laned type of stacker. Key words : Laned type of stacker; Stereoscopic warehouse; manipulator; PLC 2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)內(nèi)容） 基于PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種堆垛機(jī)械，堆垛機(jī)械能完成三維空間的運(yùn)動(dòng)，人工可以操作堆垛機(jī)搬運(yùn)貨物，堆垛機(jī)能按設(shè)定程序自動(dòng)搬運(yùn)貨物。 2.2 設(shè)計(jì)要求（技術(shù)指標(biāo)） （1）堆垛機(jī)三維運(yùn)動(dòng)均可手動(dòng)控制。 （2）用人機(jī)界面設(shè)計(jì)堆垛機(jī)控制面板。 （3）堆垛機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)，并能指示工作速度等級(jí)。 （4）程序自動(dòng)控制堆垛機(jī)搬運(yùn)貨物。 （5）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3.1 立體倉(cāng)庫(kù)的電氣接線分析 機(jī)械手主要用于搬動(dòng)或者裝卸貨物的重復(fù)動(dòng)作，動(dòng)力來源于氣壓系統(tǒng)。在機(jī)械手控制選用PLC，其原因安全可靠。機(jī)械手控制分為手動(dòng)單步、回原點(diǎn)、選格移動(dòng)、單貨源自動(dòng)、五貨源自動(dòng)五大部分。手動(dòng)控制與自動(dòng)控制運(yùn)用轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，切換后按照以前步驟繼續(xù)執(zhí)行。通過PLC輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，或接通電磁閥。 立體存儲(chǔ)單元主要組成有：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、絲桿驅(qū)動(dòng)模塊、工件推出裝置、立體倉(cāng)庫(kù)、電氣控制板、操作面板、I/O轉(zhuǎn)接端口模塊、CP閥島、氣源處理裝置等。具體結(jié)構(gòu)組成可參考“5.1安裝調(diào)試過程”。 如圖3-1所示為立體存儲(chǔ)單元的I/O接線原理圖，基本的電磁閥和傳感器等的接線。當(dāng)PLC中的I/O接口被接通時(shí)，PLC上相應(yīng)的端口指示燈將會(huì)亮起，轉(zhuǎn)接端口上的指示燈也會(huì)亮起。在分析立體倉(cāng)庫(kù)的電氣的接線圖時(shí)，可以接線工藝圖紙，同時(shí)控制堆垛機(jī)進(jìn)行所有的操作，通過觀察指示燈的變化判斷立體倉(cāng)儲(chǔ)的接線。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在本程序設(shè)計(jì)中需要知道在PLC與機(jī)床的接線中：與I0.0相接的是X軸運(yùn)動(dòng)方向限位探頭、與I0.1相接的是Y軸運(yùn)動(dòng)方向限位探頭、與Q0.0相連的是X軸電機(jī)脈沖CP+端、與Q0.1相連的是Y軸電機(jī)脈沖CP+端、與Q0.2相連的是X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向DIR+端、與Q0.3相連的是X軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向DIR+端、與Q0.4相連的是直線氣缸電磁閥Y1。 通過對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的電氣的接線圖的分析，我們就可以知道在程序中：I0.0將控制X軸的歸零光電信號(hào)、I0.1將控制Y軸的歸零光電信號(hào)、Q0.0將控制X軸電機(jī)的步進(jìn)脈沖、Q0.1將控制Y軸電機(jī)的步進(jìn)脈沖、Q0.2將控制X軸電機(jī)的步進(jìn)方向、Q0.3將控制Y軸電機(jī)的步進(jìn)方向、Q0.4將控制推料氣缸的伸出/縮回。 圖3-1 立體存儲(chǔ)單元PLC I/O接線原理圖 3.2 堆垛機(jī)設(shè)計(jì)方案框圖 4 軟、硬件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1.1 系統(tǒng)硬件原理圖及工作原理說明 立體存儲(chǔ)單元用于接收前一單元送來的工件，按照預(yù)定的工件信息而自動(dòng)運(yùn)送至相應(yīng)指定的倉(cāng)位口，并將工件推入立體倉(cāng)庫(kù)完成工件的存儲(chǔ)功能。在典型的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，立體存儲(chǔ)單元在生產(chǎn)流水線中作為最后一單元，模擬工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中物件的分類存儲(chǔ)功能，如圖4-1所示為立體存儲(chǔ)單元的整體結(jié)構(gòu)。立體存儲(chǔ)單元主要由直線驅(qū)動(dòng)模塊、工件推料裝置、立體倉(cāng)庫(kù)、I/O轉(zhuǎn)接端口模塊、電氣控制板、操作面板、CP閥島及氣源處理裝置等部件組成。具體可參考“5.1.1 立體存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)與功能分析”。 直線驅(qū)動(dòng)模塊 工件推料裝置 立體倉(cāng)庫(kù) 圖4-1 立體存儲(chǔ)單元 如圖4-2所示，就像自動(dòng)生產(chǎn)線一樣，智能堆垛機(jī)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于它的綜合性和系統(tǒng)性。技術(shù)的綜合性是將機(jī)械技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及人機(jī)界面技術(shù)等多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，并綜合應(yīng)用到整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上。技術(shù)的系統(tǒng)性指的是自動(dòng)化生產(chǎn)線的傳感檢測(cè)、傳輸與處理、分析與控制、驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行等部件在微處理單元的控制下協(xié)調(diào)有序地工作，并通過一定的輔助設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)，自動(dòng)地完成預(yù)定的全部生產(chǎn)任務(wù)。 圖4-2 自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn) 4.1.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)知 圖4-3 簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制系統(tǒng) 圖4-4 靜音氣泵 圖4-3為一簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖，該控制系統(tǒng)由靜音氣泵、氣動(dòng)二聯(lián)件、氣缸、電磁閥、檢測(cè)元件和控制器等組成，能實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)控制。氣動(dòng)控制系統(tǒng)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，在控制元件的控制和輔助元件的配合下，通過執(zhí)行元件把空氣的壓縮能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而完成氣缸直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并對(duì)外做功。 一個(gè)完整的氣動(dòng)控制系統(tǒng)基本由氣壓發(fā)生裝置（氣源裝置）、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件、檢測(cè)元件以及控制器等六個(gè)部分組成，如圖4-5所示。 圖4-5 氣動(dòng)控制系統(tǒng)基本組成 圖4-3中靜音氣泵為壓縮空氣發(fā)生裝置，其包括空氣壓縮機(jī)、壓力開關(guān)、過載安全保護(hù)器、儲(chǔ)氣罐、壓力表、過濾減壓閥及氣源開關(guān)等部件，如圖4-4所示。氣泵是用來產(chǎn)生具有足夠壓力和流量的壓縮空氣并將其凈化、處理及存儲(chǔ)的一套裝置，氣泵的輸出壓力可通過其上的過濾減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。 4.1.3 氣動(dòng)控制回路分析及連接 圖4-6所示為圖4-4氣動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖。從圖可知，執(zhí)行元件為雙作用氣缸，控制元件為兩位五通的單電控電磁閥，氣動(dòng)系統(tǒng)借助檢測(cè)及輔助元件裝置，在控制器的控制下實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。 圖4-6 氣動(dòng)控制回路原理圖 在氣動(dòng)控制回路中，由于電磁閥為單電控，所以電磁閥未通電時(shí)，閥工作于右位復(fù)位狀態(tài)，氣路走向如圖4-7左圖所示，此時(shí)在氣壓力作用下，氣缸活塞左移，氣缸桿縮回。當(dāng)電磁閥的電磁線圈通電時(shí)，閥工作位于左位工作狀態(tài)，氣路走向如圖4-7右圖所示，此時(shí)在氣壓力作用下，氣缸活塞右移，氣缸桿伸出。 依據(jù)圖4-6氣動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖，并結(jié)合氣動(dòng)回路的運(yùn)行過程要求，繪制出對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)控制回路安裝連接圖，如圖4-8所示。在繪制安裝連接圖時(shí)，要求各元件之間的位置布局合理，管路連接無(wú)交叉，整體的效果美觀。 圖4-7 氣動(dòng)控制回路運(yùn)行圖 圖4-8 氣動(dòng)控制回路安裝連接圖 依據(jù)圖4-8所示氣動(dòng)控制回路的安裝連接圖，分別將氣泵、過濾減壓閥、電磁閥及直線氣缸上的快速連接頭用氣管進(jìn)行連接，隨時(shí)檢查氣路的可靠牢固性。然后接通氣源，用手控旋鈕進(jìn)行調(diào)試，檢查氣缸動(dòng)作情況。 4.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)認(rèn)知及應(yīng)用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步距角）。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要滿足一定相序的較大電流的脈沖信號(hào)，生產(chǎn)裝備中使用的步進(jìn)電機(jī)都配備有專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，來直接控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工作?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)分為永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）三種。如圖4-9所示為各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)物圖。 圖4-9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性還與其線圈繞組的相數(shù)和通電運(yùn)行方式有關(guān)。 在實(shí)際應(yīng)用中，首先按照步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器裝置具體對(duì)應(yīng)的電氣接口關(guān)系連接好硬件線路，其次根據(jù)需要設(shè)置好驅(qū)動(dòng)器裝置上步距角細(xì)分選擇與電流設(shè)置開關(guān)，接著控制器只需要提供一組控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的mW數(shù)量級(jí)功率的可調(diào)脈沖序列就可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、精度較高以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)的數(shù)字開環(huán)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，例如數(shù)控機(jī)床、印刷設(shè)備、打印機(jī)、自動(dòng)記錄儀等都有應(yīng)用。雖然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也有一些弱點(diǎn)，一是用得不好有可能失步，二是控制精度相對(duì)較低，而且運(yùn)動(dòng)中無(wú)法確定運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確位置，一般可滿足對(duì)于工作精度要求不高的領(lǐng)域。 4.1.5 S7-200控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC的I/O口分配可參照 圖3-1立體存儲(chǔ)單元PLC I/O接線原理圖。 4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2.1程序通信參數(shù)選擇（設(shè)置） 如圖4-10，通信參數(shù)的設(shè)置必須符合PLC型號(hào)要求，并且與觸摸屏的通信設(shè)置相同，以便與觸摸屏通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。 圖4-10 通信參數(shù)設(shè)置 4.2.2 軟件系統(tǒng)總流程圖及設(shè)計(jì)思路說明 （1）PLC部分說明：先從機(jī)械手的部分功能開始實(shí)現(xiàn)，第一步通過程序?qū)0.4置0或置1嘗試實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸縮。在設(shè)計(jì)有了開端之后我就開始在pls指令中設(shè)定步進(jìn)電機(jī)工作的初始速度，并通過對(duì)Q0.2或Q0.3置0或置1實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手動(dòng)控制步進(jìn)升降和左右移動(dòng)。接著調(diào)整高速脈沖輸出的脈沖數(shù)值，控制Y軸步進(jìn)電機(jī)走一步8400個(gè)脈沖，X軸步進(jìn)電機(jī)走一步8600個(gè)脈沖，因?yàn)槲覀冞x擇的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分檔次為800個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的距離為4mm，而存儲(chǔ)倉(cāng)的寬度為42mm，高度為43mm，這樣電機(jī)走一步剛好使機(jī)械臂移動(dòng)一格。為了防止工作過程發(fā)生事故，使用底部限位開關(guān)前面的金屬探測(cè)器I0.0和I0.1做為第一限位點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械臂移至該點(diǎn)時(shí)就停止前進(jìn)，避免了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源被底部限位開關(guān)切斷。限位的方式是在手動(dòng)控制中，當(dāng)出現(xiàn)誤操作觸及其中一個(gè)金屬探頭時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的Q0.2或Q0.3將被置1，使機(jī)械臂向左或向上移回來時(shí)的位置。部分功能實(shí)現(xiàn)之后將機(jī)械手升降、左右移和伸縮的程序整合到一起，實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的機(jī)械手三維空間的運(yùn)動(dòng)。之后我又給程序設(shè)置加速和減速按鍵，同時(shí)設(shè)置了一個(gè)速度復(fù)位鍵，在初始速度的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)快速檔和兩個(gè)慢速檔，并設(shè)置了每個(gè)速度等級(jí)的指示燈輸出地址。從而實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)的速度的可調(diào)性，并能指示工作速度等級(jí)?？紤]到機(jī)械臂在停工的時(shí)候需要有指定的起始位置，我又編寫了“機(jī)械臂復(fù)位到底線子程序”，在主程序中通過“機(jī)械臂復(fù)位按鍵”來調(diào)用該子程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂復(fù)位到左下角的起始位置。立體存儲(chǔ)站的存儲(chǔ)倉(cāng)是按平面二維布局的25個(gè)方格，我又編寫了“移動(dòng)到第1格”至“移動(dòng)到第25格”的子程序，在主程序中設(shè)置“往第1格移動(dòng)”至“往第25格移動(dòng)”的按鍵。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制之后，在系統(tǒng)中加入自動(dòng)控制切換開關(guān)，在自動(dòng)控制程序中用定時(shí)器設(shè)定了機(jī)械手伸出加緊或放置貨物的時(shí)間為2秒，縮回機(jī)械手的時(shí)間為1秒。程序編寫了兩種自動(dòng)控制模式，“單貨源搬運(yùn)模式”和“五貨源搬運(yùn)模式”，并在自動(dòng)控制程序中加入機(jī)械臂25個(gè)位置指示燈的輸出地址。最后用威綸通的觸摸屏編寫了相應(yīng)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的人機(jī)界面，經(jīng)過不斷的改善讓控制面板示意清晰明了易操作。 在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)之前，根據(jù)控制任務(wù)及要求，分析設(shè)計(jì)出電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的工藝流程。具體的控制工藝流程如“智能堆垛機(jī)控制系統(tǒng)流程圖”所示。圖4-11是電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制工藝流程圖的例子。 圖4-11 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的工藝流程圖 （2） 人機(jī)界面部分說明：人機(jī)界面如附錄一，界面上的按鍵與PLC中設(shè)定的按鍵地址相同，通過示意清晰明了的控制面板對(duì)PLC程序進(jìn)行控制，使得操作系統(tǒng)易操作。 5 安裝與調(diào)試 5.1安裝調(diào)試過程 5.1.1 立體存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)與功能分析 立體存儲(chǔ)單元用于接收前一單元送來的工件，按照預(yù)定的工件信息而自動(dòng)運(yùn)送至相應(yīng)指定的倉(cāng)位口，并將工件推入立體倉(cāng)庫(kù)完成工件的存儲(chǔ)功能。在該典型的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，立體存儲(chǔ)單元作為最后一單元，模擬工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中物件的分類存儲(chǔ)功能，如圖5-1所示為立體存儲(chǔ)單元的整體結(jié)構(gòu)。立體存儲(chǔ)單元主要由直線驅(qū)動(dòng)模塊、工件推料裝置、立體倉(cāng)庫(kù)、I/O轉(zhuǎn)接端口模塊、電氣控制板、操作面板、CP閥島及氣源處理裝置等部件組成。 圖5-1 立體存儲(chǔ)單元 直線驅(qū)動(dòng)模塊主要由步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和直線導(dǎo)向桿等部件組成，用于將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滾珠絲杠螺母移動(dòng)塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖5-2左圖所示。立體存儲(chǔ)單元中具有X軸方向和Y軸方向的兩套直線驅(qū)動(dòng)模塊，它們相互呈90垂直安裝于鋁合金工作臺(tái)面上，共同構(gòu)成一個(gè) X-Y平面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如圖5-2右圖所示。在該兩套直線驅(qū)動(dòng)模塊裝置上均設(shè)有一個(gè)工作零點(diǎn)，安裝有電感式接近開關(guān)進(jìn)行零點(diǎn)位置檢測(cè)，用于系統(tǒng)位置校正和參考點(diǎn)設(shè)置。同時(shí)，在絲杠機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)極限位置處均安裝有運(yùn)動(dòng)行程保護(hù)開關(guān)，用來防止絲杠螺母移動(dòng)塊過量而產(chǎn)生機(jī)械性損壞。 圖5-2 直線驅(qū)動(dòng)模塊 工件推出裝置由一個(gè)雙作用直線氣缸、推塊和一個(gè)接收工件的工作平臺(tái)（推塊導(dǎo)槽）組成。整體安裝固定在Y軸絲杠螺母移動(dòng)塊的側(cè)面上隨著其在X-Y平面移動(dòng)，主要功能是將放置在推塊導(dǎo)槽的工件，通過直線氣缸推動(dòng)推塊將工件推進(jìn)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)庫(kù)位內(nèi)，如圖5-3所示。同樣，為了保證推出裝置的準(zhǔn)確動(dòng)作，其上安裝有磁性開關(guān)進(jìn)行限位檢測(cè)。 圖5-3 工件推出裝置 圖5-4 立體倉(cāng)庫(kù) 立體倉(cāng)庫(kù)是一個(gè)由4行4列共16個(gè)方格組成的鏤空存儲(chǔ)鐵架，每個(gè)方格之間距離分別為40 mm，用于分類存放不同的工件。立體倉(cāng)庫(kù)垂直安裝在直線驅(qū)動(dòng)模塊X-Y運(yùn)動(dòng)平面的一側(cè)，用于接收工件推料裝置送出的工件，如圖5-4所示。 立體存儲(chǔ)單元上除了具有以上介紹的組成模塊外，同樣也配備有電磁閥、I/O轉(zhuǎn)接端口模塊、電氣控制板以及操作面板等組件，他們的結(jié)構(gòu)和功能都和搬運(yùn)單元上的一樣，在此不再詳述。 5.1.2 立體存儲(chǔ)單元機(jī)械及氣動(dòng)元件安裝與調(diào)整 立體存儲(chǔ)單元的X-Y軸運(yùn)動(dòng)部分通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，在Z軸直線氣缸工作配合下完成整個(gè)立體存儲(chǔ)運(yùn)行過程。下面進(jìn)行具體的機(jī)械及氣動(dòng)元件安裝與調(diào)整步驟介紹。立體存儲(chǔ)單元詳細(xì)的機(jī)械及氣動(dòng)元件安裝過程可觀看教材附帶光盤中視頻文件。 1、在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上依次安裝I/O轉(zhuǎn)接端口模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電磁閥。然后將導(dǎo)軌用螺釘固定到鋁合金面板下方位置上，在面板的右上角安裝氣源處理裝置。 2、獨(dú)立進(jìn)行X軸方向上的直線驅(qū)動(dòng)模塊安裝，如圖5-5（a）圖所示。首先在絲杠上依次裝入絲杠固定機(jī)端、軸承、絲杠軸套，使絲杠固定塊機(jī)端不動(dòng)，將絲杠旋出；其次在絲杠旋出端安裝上聯(lián)軸器，再套入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定塊，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸配合安裝到聯(lián)軸器另一端，并用螺釘將電動(dòng)機(jī)固定塊連接緊固到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上；再將絲杠固定機(jī)端退回到緊貼電動(dòng)機(jī)固定塊位置，用螺桿將固定機(jī)端與電動(dòng)機(jī)固定塊鎖緊連接，將絲桿驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向桿兩端分別安裝在絲杠兩端固定塊機(jī)端上，在絲桿固定塊上用緊固螺釘鎖緊；最后，在兩端絲杠固定塊下分別安裝對(duì)稱的絲杠墊塊用螺釘鎖緊。特別需要注意，絲杠和導(dǎo)向桿在安裝到固定塊機(jī)端時(shí)，要隨時(shí)檢測(cè)絲杠是否保持轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行流暢。 3、當(dāng)獨(dú)立安裝好X軸向直線驅(qū)動(dòng)模塊后，在鋁合金臺(tái)面的中間偏下的位置上，借助兩端的絲杠墊塊用螺桿和T型螺母將其水平安裝到工作臺(tái)面上，如圖5-5（b）圖所示。安裝時(shí)盡量保證絲杠的螺母滑動(dòng)塊行程范圍左右對(duì)稱。 4、Y軸方向上驅(qū)動(dòng)裝置獨(dú)立安裝方式與X軸方向的驅(qū)動(dòng)裝置是相同的，但它不需要安裝絲杠墊塊。將直線氣缸安裝到推料導(dǎo)槽上，工件推塊安裝到直線氣缸的活塞桿上，用螺釘鎖緊工件推料導(dǎo)槽安裝到導(dǎo)槽底板上，最后將其整體安裝定位到Y(jié)軸絲杠裝置的螺母滑動(dòng)塊的側(cè)面上，如圖5-5（c）圖所示。然后將Y軸方向上驅(qū)動(dòng)裝置垂直定位到X軸方向驅(qū)動(dòng)裝置的螺母滑動(dòng)塊上，Y軸絲杠的下固定機(jī)端與X軸絲杠的螺母滑動(dòng)塊之間通過螺釘鎖緊連接一體。對(duì)于X、Y軸驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行配合安裝時(shí)，必須保證二者的垂直度，且必須鎖緊。 5、根據(jù)X、Y軸方向驅(qū)動(dòng)裝置的位置，在面板上相對(duì)位置安裝立體倉(cāng)庫(kù)，以立體倉(cāng)庫(kù)安裝的位置不與驅(qū)動(dòng)裝置X-Y平面運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉為宜，如圖5-5（d）所示。但要注意，必須保證立體倉(cāng)庫(kù)所有的倉(cāng)位位于工件推料裝置能達(dá)到的范圍之內(nèi)。 6、根據(jù)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)空間要求，局部調(diào)整各模塊的相對(duì)位置，保證各模塊安裝穩(wěn)固，防止發(fā)生干涉，再進(jìn)行加固處理。最后，在單元設(shè)備上相應(yīng)安裝上氣缸節(jié)流閥、磁感應(yīng)式接近開關(guān)、電感式接近開關(guān)及行程保護(hù)開關(guān)等。 （a） （b） （c） （d） 圖5-5 立體存儲(chǔ)單元的安裝示意圖 5.1.3 立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)回路分析、安裝與調(diào)試 如圖5-6所示為立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)控制回路原理圖。在本原理圖中只有一個(gè)控制直線氣缸活塞桿伸出氣動(dòng)控制回路。 圖5-6 立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)控制回路原理圖 圖5-7 立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)控制回路安裝連接圖 根據(jù)圖5-6立體存儲(chǔ)單元?dú)鈩?dòng)控制回路原理圖，結(jié)合氣路回路的運(yùn)行控制過程要求，繪制其相應(yīng)的氣路連接圖，如圖5-6所示。 立體存儲(chǔ)單元的氣動(dòng)控制回路的運(yùn)行分析、安裝連接、調(diào)試方法及步驟與前面單元中介紹的一樣。讀者可以根據(jù)圖5-6原理圖和圖5-7安裝連接圖，再參照前面單元的相關(guān)內(nèi)容自己分步實(shí)施，完成本單元的氣動(dòng)控制回路安裝與調(diào)試任務(wù)，保證其滿足設(shè)備需要而正確可靠工作。 5.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行受脈沖控制，其轉(zhuǎn)子的角位移和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變通電脈沖的順序來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。因此，在計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用極為普遍。 立體存儲(chǔ)單元直線驅(qū)動(dòng)模塊的X、Y軸運(yùn)行采用Microtep 17HS101兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其步距角為1.8，輸出相電流為1.7A，驅(qū)動(dòng)電壓為DC 24V。該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部接線示意圖和實(shí)物具體如圖5-8所示。 圖5-8 Microtep 17HS101步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令是不能形成連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)并步進(jìn)，就要形成連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這必須依靠變換器即環(huán)形脈沖分配器來實(shí)現(xiàn)。環(huán)形分配器把來自加、減電路的一系列進(jìn)給脈沖指令轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通、斷電的電平信號(hào)。電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序要與進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)和方向?qū)?yīng)。由于環(huán)形分配器輸出的信號(hào)僅僅是步進(jìn)電機(jī)要產(chǎn)生期望角位移的數(shù)字邏輯控制信號(hào)，一般是TTL輸出電平，只有mW數(shù)量級(jí)的功率，這樣就需要經(jīng)過功率放大后，再接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的相上，才能帶動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)。大部分的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制都傾向采用硬件環(huán)形脈沖分配器，因此硬件環(huán)形脈沖分配器往往與功率放大器集成在一起，構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。 立體存儲(chǔ)單元中采用SH-2H040Ma來控制驅(qū)動(dòng)Microtep 17HS101步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集硬件環(huán)形脈沖分配器與功率放大器于一起，為2/4相混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以與之配套電機(jī)還有17HS001、17HS111和23HS2001等。驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖3-89左圖所示，在驅(qū)動(dòng)器上有1個(gè)4位的撥位開關(guān)（DIP1～DIP4），通過DIP1和DIP2不同設(shè)置組合（00、01、10）分別選擇對(duì)應(yīng)工作步距角為0.9、0.45、0.225。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)器上還有1個(gè)10位接口的接線端口接線排，分別用于與控制器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連接。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電流輸出為1.7A，工作電壓為DC24V。 圖5-9 SH-2H040Ma驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線原理 如圖5-9右圖所示為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)17HS101與其配套驅(qū)動(dòng)器SH-2H040Ma的電氣接線原理圖。將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)相的接線端子連接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)端子上即可。具體連接時(shí)，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)引出的接線紅線、綠線、黃線、藍(lán)線的接線分別對(duì)應(yīng)連接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的A、A負(fù)、B、B負(fù)連接端子上。圖中CP+與CP-為脈沖信號(hào)，脈沖的數(shù)量、頻率和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移、速度成正比例；DIR+和DIR-為方向信號(hào)，它的高低電平?jīng)Q定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。另外，驅(qū)動(dòng)器的CP+、DIR+兩端口引出接線上均串上一個(gè)2K的電阻，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與控制器PLC之間建立電氣連接時(shí)，該電阻就會(huì)串聯(lián)在CP+與CP-、DIR+和DIR-兩個(gè)電氣回路中進(jìn)行回路電流的限流保護(hù)作用。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器要工作，其上需要連接上24V的直流工作電源。由此可以看出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收控制器的低壓低功耗控制信號(hào)，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出兩相脈沖功率電源。 如前所述，驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面上有一個(gè)4位DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)置選擇本驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)。DIP1、DIP1位置狀態(tài)決定驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分步數(shù)，本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)置如表5-1所示。 表5-1 細(xì)分設(shè)置表 DIP 1 DIP2 （步/轉(zhuǎn)） 角度/步 0 0 400 0.9 0 1 800 0.45 1 0 1600 0.225 下面以該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制直線驅(qū)動(dòng)模塊移動(dòng)一個(gè)倉(cāng)位間距40mm為例，給出了一種具體的測(cè)試操作步驟和控制實(shí)現(xiàn)方法。 1、按照?qǐng)D5-9完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的所有電氣連接關(guān)系，同時(shí)將CP+串電阻后與PLC的Q0.0端口相連，DIR+串電阻后與PLC的Q0.2端口相連，而CP-、DIR-均與PLC輸出端口公共端1M相連接。 2、設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器上撥碼開關(guān)，使DIP1為0，DIP2為1，DIP3、DIP4為都1的狀態(tài)，即每轉(zhuǎn)的細(xì)分步數(shù)為800步/轉(zhuǎn)，輸出電流為1.7A。 3、根據(jù)運(yùn)動(dòng)距離和設(shè)置情況計(jì)算控制脈沖數(shù)量。本單元中滾珠絲杠的螺距為4mm,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每工作一轉(zhuǎn)，螺母移動(dòng)塊運(yùn)行4mm，而上步中驅(qū)動(dòng)器細(xì)分選擇為800步/轉(zhuǎn)，因此每步移動(dòng)塊移動(dòng)的距離為0.005mm。如果要移動(dòng)一個(gè)倉(cāng)位40mm的間距，需要的脈沖數(shù)為40/0.005=8000。 4、進(jìn)行S7-200 PLC的脈沖輸出及位置控制程序編寫與下載，讓PLC的Q0.0輸出端口提供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器8000個(gè)脈沖信號(hào)即可。 在以上的四步中，前面三步都比較簡(jiǎn)單，但是第四步中進(jìn)行S7-200 PLC的脈沖輸出及位置控制程序編寫卻比較麻煩。要順利地編寫出正確的脈沖輸出及位置控制程序必須先要學(xué)習(xí)了解PLC中脈沖輸出及位置控制的相關(guān)內(nèi)容，再進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制程序的編程。 S7-200 PLC內(nèi)置有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器，用于建立高速脈沖串（PTO）或脈寬調(diào)節(jié)（PWM）信號(hào)波形。這兩個(gè)發(fā)生器分別指定給輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1。當(dāng)Q0.0或Q0.1設(shè)定為PTO或PWM功能時(shí)，其他操作均失效，不使用PTO或PWM發(fā)生器時(shí)，則作為普通端子使用。通常在啟動(dòng)PTO或PWM操作之前，用復(fù)位指令R將Q0.0或Q0.1清零。 當(dāng)Q0.0或Q0.1組態(tài)一個(gè)輸出為PTO操作時(shí)，生成一個(gè)50%占空比脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。內(nèi)置PTO功能提供脈沖串輸出，脈沖周期與數(shù)量可更改。但是實(shí)際控制電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)用程序還必須通過PLC內(nèi)置I/O提供電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方向和限位控制，確保電動(dòng)機(jī)控制安全有效。 STEP7-Micro/WIN提供的位置控制向?qū)Э梢詭椭脩粼诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)全部完成PWM、PTO或位控模塊的組態(tài)。向?qū)Э梢陨晌恢弥噶?，用戶可以利用這些指令在其應(yīng)用程序中為速度和位置提供動(dòng)態(tài)控制。 開環(huán)位控用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本信息借助位置控制向?qū)ЫM態(tài)PTO輸出時(shí)，需要用戶提供一些基本信息，相關(guān)介紹如下。 1、最大速度（MAX_SPEED）和啟動(dòng)/停止速度（SS_SPEED） MAX_SPEED是指允許的操作速度的最大值，它應(yīng)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩能力的范圍之內(nèi)。驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的力矩由摩擦力、慣性以及加速/減速時(shí)間決定。 SS_SPEED的數(shù)值應(yīng)滿足電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，若SS_SPEED的數(shù)值過高，電機(jī)會(huì)在啟動(dòng)時(shí)丟失脈沖，并且負(fù)載在試圖停止時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)超速；若SS_SPEED的數(shù)值過低，電動(dòng)機(jī)和負(fù)載在運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束時(shí)可能會(huì)搖擺或顫動(dòng)。 圖3-90為最大速度和啟動(dòng)/停止速度示意圖，通常SS_SPEED值是MAX_SPEED值的5%～15%。 圖5-10 最大速度和啟動(dòng)/停止速度 圖5-11 加速和減速時(shí)間 2、加速和減速時(shí)間 加速時(shí)間ACCEL_TIME是指電動(dòng)機(jī)從SS_SPEED速度加速到MAX_SPEED速度所需的時(shí)間。減速時(shí)間DECEL_TIME是指電動(dòng)機(jī)從MAX_SPEED速度減速到SS_SPEED速度所需的時(shí)間。 如圖5-11所示為加速和減速時(shí)間示意圖，加速時(shí)間和減速時(shí)間的缺省設(shè)置都是1000毫秒。電動(dòng)機(jī)可在小于1000毫秒的時(shí)間內(nèi)工作，但是電動(dòng)機(jī)的加速和減速時(shí)間通常要經(jīng)過測(cè)試來確定。測(cè)試時(shí)，最先輸入一個(gè)較大的值，然后逐漸減少這個(gè)時(shí)間值直到電動(dòng)機(jī)開始失速，從而優(yōu)化應(yīng)用中的這些參數(shù)設(shè)置。 3、移動(dòng)包絡(luò) 一個(gè)包絡(luò)是一個(gè)預(yù)先定義的移動(dòng)描述，它包括一個(gè)或多個(gè)速度，影響著從起點(diǎn)到終點(diǎn)的移動(dòng)。一個(gè)包絡(luò)由多段組成，每段包含一個(gè)達(dá)到目標(biāo)速度的加速/減速過程和以目標(biāo)速度勻速運(yùn)行的一串固定數(shù)量的脈沖。 位置控制向?qū)峁┮苿?dòng)包絡(luò)定義界面，應(yīng)用程序所需的每一個(gè)移動(dòng)包絡(luò)均可在此界面中定義，而且PTO支持最大達(dá)100個(gè)包絡(luò)。定義一個(gè)包絡(luò)包括以下幾點(diǎn)：1）選擇包絡(luò)的操作模式；2）為包絡(luò)的各步定義指標(biāo)；3）為包絡(luò)定義一個(gè)符號(hào)名。 1）選擇包絡(luò)的操作模式 PTO支持相對(duì)位置和單一速度的連續(xù)旋轉(zhuǎn)這兩種操作模式，如圖5-12所示。相對(duì)位置模式是指運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置是從起點(diǎn)側(cè)開始計(jì)算的脈沖數(shù)量。單一速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)不需要提供終點(diǎn)位置，PTO一直持續(xù)輸出脈沖，直到有其它命令發(fā)出，比如到達(dá)位置原點(diǎn)要求停發(fā)脈沖，才停止脈沖輸出。 圖5-12 包絡(luò)的操作模式 2）包絡(luò)中的步 一個(gè)步是指運(yùn)動(dòng)的一個(gè)固定距離，包括加速和減速時(shí)間內(nèi)的距離。PTO中每一包絡(luò)最大允許29個(gè)步，且每一步包括目標(biāo)速度和結(jié)束位置或脈沖數(shù)目等幾個(gè)指標(biāo)。步的數(shù)目與包絡(luò)中常速段的數(shù)目一致，如圖5-13所示為一步、兩步包絡(luò)示意圖。 圖5-13 包絡(luò)的步數(shù) STEP7-Micro/WIN軟件的位置控制向?qū)茏詣?dòng)處理PTO脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調(diào)制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡(luò)表。下面闡述如何使用位置控制向?qū)Ь幊虒?shí)現(xiàn)前面所要求的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制。 1、在STEP7-Micro/WIN軟件的命令菜單中選擇“工具”→“位置控制向?qū)А泵?，向?qū)Ь烷_始引導(dǎo)位置控制配置。在彈出的位置控制向?qū)Ы缑?，選擇配置S7-200 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作，如圖5-14所示。 圖5-14 位置控制向?qū)?dòng)界面 2、單擊“下一步”按鈕，出現(xiàn)選擇脈沖發(fā)生器的選項(xiàng)，如圖5-15所示。在前面的硬件電路連接中CP+已于Q0.0連接，因此選擇Q0.0作為脈沖發(fā)生器。然后再選擇下一步。 圖5-15 選擇脈沖發(fā)生器 3、在出現(xiàn)的選擇PTO或PWM界面中，選擇“線性脈沖輸出（PTO）”，如圖3-96所示。 圖5-16 組態(tài)內(nèi)置PTO操作選擇界面 4、單擊“下一步”按鈕后，接下來界面是設(shè)定電動(dòng)機(jī)速度參數(shù)，包括前面所述的最高電動(dòng)機(jī)速度MAX_SPEED和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止速度SS_SPEED，在對(duì)應(yīng)的編輯框中輸入這些數(shù)值。輸入最高電機(jī)速度“100000”，把電機(jī)啟動(dòng)/停止速度設(shè)定為“5000”，如圖5-17所示。MIN_SPEED的值不用設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算自動(dòng)產(chǎn)生，完成后單擊“下一步”。 圖5-17 設(shè)定電動(dòng)機(jī)速度參數(shù) 5、進(jìn)入加速和減速時(shí)間設(shè)置界面，如圖5-18所示。加速時(shí)間ACCEL_TIME和減速時(shí)間DECEL_TIME分別為默認(rèn)的1000（ms），但是可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行修改調(diào)整。到此完成位置控制向?qū)峁┗拘畔⒌墓ぷ?。單擊“下一步”，開始配置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義界面。 圖5-18 加速和減速時(shí)間設(shè)置 6、在運(yùn)動(dòng)包絡(luò)定義的界面中，選擇包絡(luò)的操作模式為“相對(duì)位置”，輸入目標(biāo)速度和結(jié)束位置的脈沖數(shù)目，然后點(diǎn)擊確認(rèn)。注意目標(biāo)速度不能超過之前設(shè)置的電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，結(jié)束位置的脈沖數(shù)就是上面第三步中計(jì)算的位移脈沖數(shù)量。 在上面計(jì)算出運(yùn)動(dòng)一個(gè)倉(cāng)位的距離需要8000個(gè)脈沖，因此在操作模式選項(xiàng)中選擇相對(duì)位置控制，填寫包絡(luò)0中數(shù)據(jù)目標(biāo)速度“8000”，結(jié)束位置“8000”，點(diǎn)擊“繪制包絡(luò)”，即可繪制出運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖，如圖3-99所示。注意，這個(gè)包絡(luò)只有1步，包絡(luò)的符號(hào)名按默認(rèn)定義為Profile_0，用戶也可以在包絡(luò)定義符號(hào)名窗口中直接修改成自己確定的包絡(luò)符號(hào)名。 圖5-19 設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò) 7、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)編寫完成之后，單擊“確認(rèn)”按鈕，向?qū)?huì)要求為運(yùn)動(dòng)包絡(luò)指定V存儲(chǔ)區(qū)地址（建議地址為VB0～VB69），可默認(rèn)這一建議，也可自行鍵入一個(gè)合適的地址。圖5-20所示是指定V存儲(chǔ)區(qū)首地址為VB0時(shí)的界面，向?qū)?huì)自動(dòng)計(jì)算地址的范圍。 圖5-20 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)指定V存儲(chǔ)區(qū)地址 8、單擊“下一步”出現(xiàn)圖5-21所示的脈沖輸出向?qū)Ы缑?，界面中提示已生成的?xiàng)目組件名錄及PTO配置地址等信息，單擊“完成”按鈕即可完成整個(gè)工作。 圖5-21 生成項(xiàng)目組件提示 圖5-22 3個(gè)項(xiàng)目組件 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)組態(tài)完成后，向?qū)?huì)為所選的配置生成三個(gè)項(xiàng)目組件（子程序），分別是：PTO0_CTRL子程序（控制）、PTO0_RUN子程序（運(yùn)行包絡(luò)）和PTO0_MAN子程序（手動(dòng)模式）子程序，如圖5-22所示，一個(gè)由向?qū)Мa(chǎn)生的子程序就可以在程序中被調(diào)用。下面對(duì)三個(gè)項(xiàng)目組件的功能作進(jìn)一步的敘述。 1、PTO0_CTRL子程序：（控制）啟用和初始化PTO輸出。在用戶程序中只使用一次，并且需要確定在每次掃描時(shí)得到執(zhí)行。即始終使用SM0.0作為EN的輸入，如圖5-23所示。 圖5-23 運(yùn)行PTO0_CTRL子程序 ◆ I_STOP（立即停止）輸入（BOOL型）：當(dāng)此輸入為低電平時(shí)，PTO功能會(huì)正常工作。當(dāng)此輸入變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PTO立即停止脈沖的發(fā)出。 ◆ D_STOP（減速停止）輸入（BOOL型）：當(dāng)此輸入為低電平時(shí)，PTO功能會(huì)正常工作。當(dāng)此輸入變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PTO會(huì)產(chǎn)生將電動(dòng)機(jī)減速至停止的脈沖串。 ◆ Done(完成)輸出（BOOL型）：當(dāng)完成位被設(shè)置為高時(shí)，它表明上一個(gè)指令已執(zhí)行。 ◆ Error（錯(cuò)誤）參數(shù)（BYTE型）：包含本子程序的結(jié)果。當(dāng)完成位為高電平時(shí)，錯(cuò)誤字節(jié)會(huì)報(bào)告無(wú)錯(cuò)誤或有錯(cuò)誤代碼的正常完成。 ◆ C_Pos（DWORD型）：如果PTO向?qū)У腍SC計(jì)數(shù)器功能已啟用，此參數(shù)包含以脈沖數(shù)表示的模塊當(dāng)前位置。否則，當(dāng)前位置將一直為0。 2、PTO0_RUN子程序（運(yùn)行包絡(luò)）：命令PLC執(zhí)行存儲(chǔ)于配置／包絡(luò)表的指定包絡(luò)中的運(yùn)動(dòng)操作。運(yùn)行這一子程序的梯形圖如圖5-24所示。 圖5-24 運(yùn)行PTO0_RUN子程序 ◆ EN位：子程序的使能位。在“完成”（Done）位發(fā)出子程序執(zhí)行已經(jīng)完成的信號(hào)前，應(yīng)使EN位保持開啟。 ◆ START參數(shù)（BOOL型）：包絡(luò)執(zhí)行的啟動(dòng)信號(hào)。對(duì)于在START參數(shù)已開啟，且PTO當(dāng)前不活動(dòng)時(shí)的每次掃描，此子程序會(huì)激活PTO。為了確保僅發(fā)送一個(gè)命令，一般用上升沿以脈沖方式開啟START參數(shù)。 ◆ Abort（終止）命令（BOOL型）：命令為ON時(shí)位控模塊停止當(dāng)前包絡(luò)，并減速至電動(dòng)機(jī)停止。 ◆ Profile（包絡(luò)）（BYTE型）：輸入為此運(yùn)動(dòng)包絡(luò)指定的編號(hào)或符號(hào)名。 ◆ Done（完成）（BOOL型）：本子程序執(zhí)行完成時(shí)，輸出ON。可用該完成位來限制PTOx_RUN子程序運(yùn)行。 ◆ Error（錯(cuò)誤）（BYTE型）：輸出本子程序執(zhí)行結(jié)果的錯(cuò)誤信息。無(wú)錯(cuò)誤時(shí)輸出0。 ◆ C_Profile（BYTE型）：輸出位控模塊當(dāng)前執(zhí)行的包絡(luò)。 ◆ C_Step（BYTE型）：輸出目前正在執(zhí)行的包絡(luò)步驟。 ◆ C_Pos（DINT型）：如果PTO向?qū)У腍SC計(jì)數(shù)器功能已啟用，則此參數(shù)包含以脈沖數(shù)作為模塊的當(dāng)前位置。否則，當(dāng)前位置將一直為0。 3、PTO0_MAN子程序（手動(dòng)模式）：將PTO輸出置于手動(dòng)模式。執(zhí)行這一子程序允許電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止和按不同的速度運(yùn)行。但當(dāng)PTO0_MAN子程序已啟用時(shí)，除PTO0-CTRL外任何其他PTO子程序都無(wú)法執(zhí)行。運(yùn)行這一子程序的梯形圖如圖5-25所示。 圖5-25 運(yùn)行PTO0_MAN子程序 ◆ RUN（運(yùn)行/停止）參數(shù)：命令PTO加速至指定速度（Speed（速度）參數(shù)）。從而允許在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中更改Speed參數(shù)的數(shù)值。停用RUN參數(shù)命令PTO減速至電動(dòng)機(jī)停止。 當(dāng)RUN已啟用時(shí)，Speed參數(shù)確定速度。速度是一個(gè)用每秒脈沖數(shù)計(jì)算的DINT（雙整數(shù)）值。可以在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中更改此參數(shù)。 ◆ Error（錯(cuò)誤）參數(shù)：輸出本子程序的執(zhí)行結(jié)果的錯(cuò)誤信息，無(wú)錯(cuò)誤時(shí)輸出0。 ◆ C_Pos（DINT型）：如果PTO向?qū)У腍SC計(jì)數(shù)器功能已啟用，此參數(shù)包含用脈沖數(shù)目表示的模塊；否則此數(shù)值始終為零。 由上述三個(gè)子程序的梯形圖可以看出，為了調(diào)用這些子程序，編程時(shí)應(yīng)預(yù)置一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)子程序執(zhí)行時(shí)間參數(shù)，存儲(chǔ)區(qū)所存儲(chǔ)的信息，可根據(jù)程序的需要直接調(diào)用。 5.1.5 立體存儲(chǔ)單元電氣系統(tǒng)分析、安裝與調(diào)試 立體存儲(chǔ)單元中安裝在電氣控制板上的電氣系統(tǒng)、操作面板的硬件系統(tǒng)以及各電氣接口信號(hào)排布與搬運(yùn)單元相同，具體可以參照搬運(yùn)單元中相關(guān)的內(nèi)容。而X、Y兩軸方向的滾珠絲杠直線驅(qū)動(dòng)模塊，分別采用前面子任務(wù)四中介紹的兩臺(tái)Microtep 17HS101兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由兩臺(tái)SH-2H040Ma驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，通過單元中PLC發(fā)送的脈沖及換向信號(hào)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行。 為了有效檢測(cè)定位直線驅(qū)動(dòng)模塊上滾珠絲杠螺母滑動(dòng)塊的移動(dòng)位置，在X軸的左端和Y軸的下端均安裝有一個(gè)電感式接近開關(guān)，用于兩軸上對(duì)應(yīng)螺母滑動(dòng)塊回到原點(diǎn)位置的檢測(cè)，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置控制提供參考原點(diǎn)。為了防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)螺母滑動(dòng)塊產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)過沖，避免其對(duì)滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)造成機(jī)械性損壞，在X和Y軸的兩行程終端均安裝有機(jī)械行程開關(guān)。該四個(gè)機(jī)械行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在一起，直接連接在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器直流24V供電電源回路上，當(dāng)螺母滑動(dòng)塊過沖時(shí)，直接以硬件的方式切斷驅(qū)動(dòng)器電源，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)緊急停止運(yùn)行。 立體存儲(chǔ)單元中所需要PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為11點(diǎn)輸入和7點(diǎn)輸出，選用S7-200 CPU 226 CN DC/DC/DC 的PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)為24/16，足可以滿足控制I/O點(diǎn)數(shù)的需要。具體I/O地址分配如下表5-2所示。 表5-2 立體存儲(chǔ)單元的I/O地址分配 序號(hào) 地址 設(shè)備符號(hào) 設(shè)備名稱 設(shè)備功能 1 I0.0 B1 電感式接近開關(guān) X軸反方向的原點(diǎn)左限位 2 I0.1 B2 電感式接近開關(guān) Y軸反方向的原點(diǎn)下限位 3 I0.2 1B1 磁感應(yīng)式接近開關(guān) 推料氣缸活塞桿縮回限位 4 I0.3 1B2 磁感應(yīng)式接近開關(guān) 推料氣缸活塞桿伸出限位 5 I2.0 SB1 按鈕 開始 6 I2.1 SB2 按鈕 復(fù)位 7 I2.2 SB3 按鈕 特殊 8 I2.3 SA1 開關(guān) 手動(dòng)（0）/自動(dòng)（1）切換 9 I2.4 SA2 開關(guān) 單站（0）/聯(lián)網(wǎng)（1）切換 10 I2.5 SB4 按鈕 停止 11 I2.6 KM 繼電器觸頭 上電信號(hào) 12 Q0.0 CP1+ X軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸出 控制X軸方向推料臺(tái)的移動(dòng) 13 Q0.1 CP2+ Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸出 控制Y軸方向推料臺(tái)的移動(dòng) 14 Q0.2 DIR1+ X軸驅(qū)動(dòng)器方向控制 控制X軸推料臺(tái)的移動(dòng)方向 15 Q0.3 DIR2+ Y軸驅(qū)動(dòng)器方向控制 控制Y軸推料臺(tái)的移動(dòng)方向 16 Q0.4 1Y1 電磁閥 控制氣缸直線推料氣缸 17 Q1.6 HL1 綠色指示燈 開始指示 18 Q1.7 HL2 藍(lán)色指示燈 復(fù)位指示 如圖5-26所示為立體存儲(chǔ)單元的I/O接線原理圖，基本的電磁閥和傳感器等的接線，自己可參照前面單元的分析，然后進(jìn)行接線。另外，在輸出端的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向控制和脈沖發(fā)生器線路上均串上一個(gè)阻值為2K限流保護(hù)電阻。 圖5-26 立體存儲(chǔ)單元PLC I/O接線原理圖 下面針對(duì)立體存儲(chǔ)單元中步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接與調(diào)試進(jìn)行說明。 進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣線路連接時(shí)，先按照?qǐng)D3-89所示電氣接線關(guān)系，將X軸和Y軸上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器連接好對(duì)應(yīng)的相線電氣線路。圖3-106中PLC的輸出端Q0.0～Q0.3分別串有2K電阻后與對(duì)應(yīng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器控制輸入端CP1+、CP2+、DIR1+和DIR2+相連，而驅(qū)動(dòng)器上的CP1-、CP2-、DIR1-和DIR2-均連接到輸出端直流24V電源的負(fù)端0V上，即PLC輸出端口1M公共端上。特別要注意的是在連接驅(qū)動(dòng)器供電電源時(shí)，供電線路中必須要串聯(lián)上4個(gè)行程限位保護(hù)開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，用來防止螺母滑動(dòng)塊產(chǎn)生過沖。4個(gè)行程限位保護(hù)開關(guān)的安裝位置應(yīng)該合理，一定要保證螺母滑動(dòng)塊到達(dá)行程終點(diǎn)位置前，能可靠的壓下行程開關(guān)切斷驅(qū)動(dòng)器電源。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件線路連接完成之后，還必須進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制功能調(diào)試，特別是電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制測(cè)試。調(diào)試時(shí)，先將X軸滾珠絲杠上的螺母滑動(dòng)塊人工的調(diào)整到各自行程的中間位置，接著按照子任務(wù)四中講解方法配置一運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，再按如圖5-27所示測(cè)試程序進(jìn)行調(diào)試。 圖5-27左圖測(cè)試程序中首先有復(fù)位Q0.2，即此時(shí)DIR1+為低電平狀態(tài)，調(diào)用PTO0_MAN手動(dòng)模式子程序，按下啟動(dòng)按鈕SB1，觀察X軸螺母滑動(dòng)塊的移動(dòng)情況；圖5-27右圖測(cè)試程序中首先有置位Q0.2，即此時(shí)DIR1+為高電平狀態(tài)，調(diào)用PTO0_MAN手動(dòng)模式子程序，同樣按下啟動(dòng)按鈕SB1，再觀察X軸螺母滑動(dòng)塊的移動(dòng)情況。通過這兩小段調(diào)試程序，即可判斷出X軸上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否工作正常以及運(yùn)行方向。同樣，對(duì)于Y軸上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)試方法也類似。 圖5-27 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)測(cè)試程序 需要注意，調(diào)試前一定要將X、Y兩滾珠絲杠上的螺母滑動(dòng)塊人工的調(diào)整到各自行程的中間位置，為了在運(yùn)行方向不確定的情況下，兩個(gè)方向均留有足夠的運(yùn)行調(diào)試空間。雖然行程極限位置處均裝有硬件保護(hù)行程開關(guān)，但是在按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，要時(shí)刻觀察其運(yùn)行情況，時(shí)刻準(zhǔn)備好放松SB1按鈕，防止硬件保護(hù)動(dòng)作后再需人工調(diào)整來排除后方可繼續(xù)進(jìn)行調(diào)試。 5.1.6 立體存儲(chǔ)單元控制程序設(shè)計(jì)與調(diào)試 針對(duì)立體存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下面給出了其典型的設(shè)備運(yùn)行控制要求與操作運(yùn)行流程。 1、系統(tǒng)上電，立體存儲(chǔ)單元處于初始狀態(tài)，操作面板上復(fù)位燈閃爍指示。 2、按下復(fù)位按鈕，復(fù)位燈熄滅，開始燈閃爍指示，直線氣缸的活塞桿處于縮回狀態(tài)，X、Y軸絲杠滑動(dòng)塊回歸原點(diǎn)位置。 3、按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，復(fù)位燈熄滅，開始燈指示，X軸和Y軸的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)塊運(yùn)行，使工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到等待工件的工作位置（從上到下第三層首格外部）。 4、等待工件時(shí)間到，根據(jù)工件的計(jì)數(shù)情況自動(dòng)選擇存儲(chǔ)倉(cāng)位，到達(dá)規(guī)定的倉(cāng)位后將工件推進(jìn)該倉(cāng)位存儲(chǔ)。 5、將工件推進(jìn)倉(cāng)位后，直線氣缸活塞桿縮回完成，X、Y軸方向上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)塊工作平臺(tái)返回等待工件位置，等待新一輪的啟動(dòng)信號(hào)。 6、同樣，立體存儲(chǔ)單元有手動(dòng)單周期、自動(dòng)循環(huán)兩種工作模式。無(wú)論在哪種工作模式控制任務(wù)中，立體存儲(chǔ)單元必須處于初始復(fù)位狀態(tài)方可允許啟動(dòng)。這兩種工作模式的操作運(yùn)行特點(diǎn)與前面搬運(yùn)單元一樣，可見搬運(yùn)單元的對(duì)應(yīng)內(nèi)容。 如圖5-28所示為立體存儲(chǔ)單元的控制工藝流程圖，其滿足以上所列典型的運(yùn)行控制要求與操作運(yùn)行流程。注意此流程圖僅是給出主要的控制內(nèi)容，具體細(xì)節(jié)在此沒有作詳細(xì)說明，由學(xué)習(xí)者自己補(bǔ)充。 圖5-28 立體存儲(chǔ)單元的控制工藝流程圖 根據(jù)圖5-28所示立體存儲(chǔ)單元的控制工藝流程圖編寫其對(duì)應(yīng)的控制程序。為了更方便地進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與管理，本單元中采用模塊化的編程思想進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。下面對(duì)子程序的功能以及具體的使用