基于PMC6496運動控制器的機械手上下料系統(tǒng)

一  PMC6496的特點
　　PMC6496運動控制器是雷賽公司在獨立式運動控制器的基礎(chǔ)上，精心研發(fā)的一款具有PLC特點的高性能產(chǎn)品。由于其全面支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)梯形圖編程語言，在邏輯控制上完全可以與中、小型PLC媲美。同時，其強大的運動控制功能更是傳統(tǒng)中、小型PLC無法匹敵的。
　　1 .PMC6496的硬件性能
　　　圖1為PMC6496運動控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　　　                                 圖1  PMC6496運動控制器硬件結(jié)構(gòu)
　　　
　   PMC6496基于嵌入式處理器和FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，插補算法、脈沖信號的產(chǎn)生及加速和減速控制、I/O信號的檢測處理，均由硬件和固件實現(xiàn)，確保了運動控制高速、高精度及系統(tǒng)穩(wěn)定。該系列控制器可控制4個步進或伺服電機，具有最高5MHz脈沖頻率、四軸直線插補、兩軸圓弧插補、連續(xù)曲線插補、S形曲線速度控制等高級功能。通過簡單的編程即可開發(fā)出穩(wěn)定可靠的高性能連續(xù)軌跡運動控制系統(tǒng)。
　　除了4個電機控制端口外，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個網(wǎng)絡(luò)接口、2個串行口，可通過網(wǎng)口或串口與PC機通信；同時還可以通過串口連接其它設(shè)備，如：手持編程器、觸摸屏、PLC等?？赏ㄟ^U盤接口用U盤方便地存儲文件和參數(shù)。Flash用于存儲用戶程序、鐵電存儲器用于參數(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運動控制器運動控制性能優(yōu)異的，工作穩(wěn)定可靠，梯形圖編輯環(huán)境友好。其主要特點如下：
簡單易學(xué)：由于梯形圖是自動化行業(yè)工程師最熟悉的編程語言，因此PMC6496的推出，大大降低了運動控制器的應(yīng)用門檻，使用戶更容易上手，快速開發(fā)自己的設(shè)備。
      強大的運動控制功能：PMC6496可控制4軸步進電機或伺服電機進行4軸直線插補，任意2軸圓弧插補，多軸連續(xù)插補?？蛇M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動的連續(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)議的人機界面進行通訊，包括：觸摸屏、文本顯示器、手持編程器等。用戶只需在人機界面設(shè)計時，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  機械手上下料的運動軌跡
　　某客戶的生產(chǎn)線上需要使用機械手上下料，結(jié)構(gòu)如圖2所示。X軸執(zhí)行水平左右運動，Y軸執(zhí)行豎直上下運動，手爪由氣缸控制執(zhí)行抓取動作。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軸原點距離傳送帶上工件放置點為W，工裝上第一個工件距離傳送帶上工件放置點為S，工裝上每個工件之間的距離均為L。

圖2  機械手上下料系統(tǒng)組成

　　通常，大多數(shù)用戶會將X、Y的運動軌跡確定為矩形，即Y軸上下運動完成后X軸再水平運動，然后Y軸再次上下運動，如此反復(fù)進行。但這樣的方式會導(dǎo)致比較強烈的抖動，并且造成一定的時間浪費。
　　因此，可采用圖4所示的運動軌跡，在2個拐彎處，X、Y軸進行一段半徑為R的圓弧插補運動，這樣可大大減弱抖動，且能節(jié)省時間。A點為起始點，抓取并放置第1個工件的路徑為A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K，抓取并放置第2個工件的路徑與第一個相同，只不過A→B和F→G的距離增加了長度L，第3個、第4個、第5個亦然。
　　PMC6496支持連續(xù)插補運動，在連續(xù)插補模式下，速度是連續(xù)的，各插補段之間沒有加減速過程，從而使得運動更加平滑。運行CONTI_ENTER功能塊后進入連續(xù)插補模式，加入要求的插補運動軌跡，使用LINE_START功能塊啟動連續(xù)插補運動，PMC6496以連續(xù)插補模式運行完所有運動軌跡。

　　　圖3  連續(xù)插補運動

圖4  機械手上下料運動軌跡

三  機械手上下料控制系統(tǒng)流程
　　繪制流程圖，如圖5所示。每次啟動時，將抓取次數(shù)重置為0，抓取5次后結(jié)束。“夾緊”和“松開”為氣缸動作。

　　
　                                                 　圖5  機械手上下料流程圖
　　
　　
四  機械手上下料控制系統(tǒng)的程序
　　  機械手上下料控制系統(tǒng)程序如圖6所示。

  圖6 機械手上下料程序(程序1-4節(jié))

                                                圖6（續(xù)2）  程序5-22節(jié)

圖9（續(xù)3）  程序20-37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關(guān)鍵運動指令功能塊為PMC6496運動庫的一部分，解釋如下：
                                         1、MOVECIRC
描述：指定的兩軸以當(dāng)前位置為圓弧起點，按已指定的終點位置、圓心位置、插補方 向，執(zhí)行圓弧插補運動。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)動輸入端。
　　　　AXIS0：指定參與圓弧插補的第一軸。
　　　　AXIS1：指定參與圓弧插補的第二軸。
　　　   END0：指定第一軸的圓弧終點坐標(biāo)。
　　　　END1：指定第二軸的圓弧終點坐標(biāo)。
　　　　CENTER0：指定第一軸的圓弧圓心坐標(biāo)。
　圖8  點位運動功能塊　　　  CENTER1：指定第二軸的圓弧圓心坐標(biāo)。
　　　　　　　　　　            DIR：USINT（BYTE）類型，指定圓弧插補的方向。
　　　　　　　　　　            IFABS：指定運動模式，0-相對運動，1-絕對運動。
                                        2、PMOVE
描述：指定軸按已設(shè)定的脈沖長度及方向、起始速度、最大運行速度、加速度、減速度以及運動模式執(zhí)行點位運動。其功能塊如圖8所示。
參數(shù)：
　　　　EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動輸入端。
　　　  Axis：指定軸號，范圍為0~3軸。
           POS：指定點位運動的目標(biāo)位置，即脈沖數(shù)，正、負號分別表示正方向和負方向。比如，-10000表示負方向運動10000個脈沖的長度。
　　　VEL0：指定起始速度（即初速度），單位：脈沖/秒。
　　　VEL1：指定運行速度（即最大速度），單位：脈沖/秒。
　圖9  回原點運動功能塊　 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：指定運動模式，0-相對運動，1-絕對運動。
                                  3、HOMEMOVE
描述：指定軸按已設(shè)定的模式、方向、速度執(zhí)行回原點動作?；卦c完成后，當(dāng)前坐標(biāo)被清0，即視為原點（或稱零點）。其功能塊如圖9所示。
參數(shù)：
　　 EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動輸入端。
　　 Axis：指定軸號，范圍為0~3軸。
       DIR：指定回原點方向，1-正向，0-負向。
　   MODE：指定回原點模式。
　　　　　　　　　　         EZ：只對模式4起作用，即反找原點時，EZ信號的個數(shù)。
　　　　　　　　　　        VEL：指定回原點速度，單位：脈沖/秒。
　　　　　　　　　　
                               4、LINE2
描述：指定的兩軸按已指定的終點位置，及運動模式執(zhí)行直線插補運動。其功能塊如圖10所示。
參數(shù)：
　　　EN：使能端（Enable），指令塊的驅(qū)動輸入端。
　　　Axis0：指定參與插補的第一軸，指定范圍為0~3軸。
　　　Axis1：指定參與插補的第二軸，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)。
　圖10  軸直線插補功能塊　END1：指定第二軸的目標(biāo)位置，單位：脈沖數(shù)
　　　　　　　　　　        VEL1：指定運行速度（即最大速度），單位：脈沖/秒。
                                       IFABS：指定運動模式，0-相對運動，1-絕對運動。

五  總結(jié)
　　綜上所述，PMC6496運動控制器具有運動控制功能多、處理I/O信號能力強、性價比高等優(yōu)點；而且采用梯形圖編程十分簡單、方便，很容易上手；使用PMC6496可以輕而易舉地完成各種自動化設(shè)備的復(fù)雜運動控制。

作者簡介
趙向前  男，工程師 2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)，從事自動化技術(shù)研發(fā)工作。
左  力  男，博士，高級工程師，1998年華中理工大學(xué)機械學(xué)院畢業(yè)，從事自動化技術(shù)研發(fā)工作。