基于PAC Motion的搬运机械手运动控制研究

吴会敏 魏宏飞



基于PAC Motion的搬运机械手运动控制研究

吴会敏 魏宏飞

（河南工业职业技术学院 河南南阳 473009）

根据搬运机械手的控制要求，采用PLC和运动控制模块对机械手进行控制，详细论述了控制系统的软硬件实现方法。运动控制模块PMM335对伺服电机的精确定位控制，提高了系统的可靠性和控制精度。

PAC Motion 机械手 伺服电机 运动控制

机械手是一种模仿人手动作并按照一定程序吸取、搬运物料等重复性操作的自动化装置。在高温、重载、多粉尘的危险环境中，搬运机械手应用非常普遍，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生产率[1]。本文设计的基于PAC Motion的搬运机械手系统结构简单、定位精确、运行平稳。根据实际工作现场需要，利用真空吸附方式抓取，可以搬运气动手爪无法搬运的物料[2]。

１ 系统总体结构

1.1 系统组成

搬运机械手系统由控制器、驱动模块、执行部件、机械部件、传感器及触摸屏组成，如图1所示。系统控制器釆用美国GE公司PAC Systems 系列RX3i 可编程自动化控制器；系统的驱动模块由伺服电机驱动和气压驱动两部分组成；执行部件分别为伺服电机和气缸；机械部件包括基座、滚珠丝杠和导向支撑部件等[3]。在滚珠丝杠下面安装有两个左右限位开关，防止双杆气缸越位导致器件的损毁。

图1 物料搬运机械手系统组成

1.2 机械手控制要求

机械手系统设计要求如下：（1）机械手通过手动和自动两种方式实现控制功能；（2）手动方式下，用点动的方式进行机械手的移动控制，控制按钮设置在控制面板上；（3）自动方式下，机械手根据PLC控制程序实现自动运行，完成物料的吸取、释放和移动过程。

系统使用GE公司的PAC Motion控制器控制伺服电机的正反转，通过连接器将滚珠丝杠与电机连接，电机正反转动引起滚珠丝杠上的滑块左右运动，从而将电机的旋转运动转换成水平运动，并结合使用I/O端口对电磁阀进行控制；电磁阀控制双杆气缸伸缩实现垂直运动，当双杆气缸伸出时触发光电开关，程序收到光电开关的指令，气杆下降到指定位置，结合真空发生器吸盘吸取物料；然后双杆气缸收缩提起物体，电机转动使物体水平移动。如果双杆气缸伸出时没能吸起物体则不能触发光电开关，程序就执行下一步，装置便自动停止工作。

２ 伺服控制系统设计

2.1 PAC Motion系统

PAC Motion是基于PAC SystemsTM RX3i架构的运动控制系统，核心部件是运动控制模块PMM335模块[4]。PMM335以板卡的形式安装在PAC系统的PCI底板上，可以达到33M的数据交换速度。一套典型的PAC Motion系统包括PMM运动控制器，PACSystems RX3i控制器，Machine Edition 编程软件，马达，伺服放大器，I/O，以及一套人机界面( HMI)[5]。每个PMM335模块通过菊花形光纤连接4个伺服放大器，传输PMM335控制轴所必需的控制和反馈信号。本系统使用扭矩为0.65 N·m的高性能、高可靠性的伺服放大器。

2.2 伺服控制系统设计

机械手控制系统包括PACSystems RX3i控制器，PMM运动控制器，FANUC伺服放大器（A06B-6130-H002），FANUC伺服电机（A06B-0115-B203）、FANUC伺服编码器等。伺服控制系统结构图如图2所示。

图2 伺服控制系统结构图

３ 气动控制系统设计

根据控制要求，机械手有１个执行气缸完成Z轴的上升与下降运动，１个真空发生器带动真空吸盘完成物料吸放任务。执行气缸与真空发生器由二位五通电磁阀控制，均采用双电控电磁阀。电磁阀出气口安装有节流阀，用来调节气体流量的大小确保气缸的动作平稳可靠[6]。气缸选择活塞带磁性的气缸，便于利用磁性开关来检测活塞的运动行程。为了确保真空发生器产生的负压能够吸住物体，采用气压传感器检测负压大小[7]。

4 PLC控制系统设计

4.1 系统配置

针对 FANUC 的 A06B-0115-B203伺服电机与A06B-6130-H002伺服放大器，在 Proficy ME软件中进行参数设置:

(1)组态 PMM 设置：在设置选项卡为 I/O 状态数据选择起始参考地址；配置所需要的轴数并分配名称；如果要使 CPU 访问模块 I/O 数据的频率小于每个“I/O Scan”，可选择一个已经在 CPU 定义的“I/O Scan”，默认选择是1，如图3所示。

图3 组态PMM设置

(2)组态轴参数：在“Axis”属性页组态轴的可操作属性。其中：Motor encoder mode表示电机的编码模式，这里将电机编码器模式由绝对（absolute）改为增加（lncremental）。“Over travel limit switch”表示电机的行程限位开关，设为禁用。“Motor type”表示电机的类型，系统默认电机型号为65535，根据实际电机型号查代码手册，A06B-0115-B203伺服电机型号代码为280。如图4所示。

图4 组态轴参数

(3)触摸屏配置：Quick Panel View/Control是一种紧凑型控制计算机。它采用WindowsCE.NET作为其操作系统，是Win32应用编程接口的一个子集，简化了现有软件从Windows其他版本的移植过程。本系统配置的触摸屏型号为IC754CSL06CTD，触摸屏操作界面如图5所示。

图5 触摸屏操作界面

4.2 系统通信的实现

系统设计主要采用PACSystems RX3i系统的电源模块（IC695PSD040）、CPU(IC695CPU315)、以太网模块（IC695ETM001）、数字量输入模块（IC694ACC300）、数字量输出模块（IC694 MDL754）和运动控制模块（IC695PMM355）、光纤I/O 终端模块（IC695FTB001）、伺服放大器（A06B-6130-H002）、伺服电机（A06B-0115-B203）和HMI显示屏等设备。其中，PAC RX3i控制器结合运动控制模块PMM335实现整个系统的逻辑控制和运动控制。在Proficy ME软件中进行配置后，硬件配置图如图6所示。

图6 系统硬件配置图

上位机PME主机与下位机PAC Systems RX3i控制器的通信采用以太网通信方式。设上位机IP地址设为192.168.1.10，下位机PAC以太网通信模块IP设为192.168.1.11，HMI触摸屏IP地址设为192.168.1.12。通过PME软件进行硬件组态下载，当 Target1前面的由灰变绿，屏幕下方出现“ Programmer、Stop Disabled、Config EQ”，机柜上PMM335模块的CONFIG指示灯由闪烁变为常绿灯，表明PMM335配置正确；同时FSSB指示灯亮起，表示通信建立成功。

4.3 I/O点的分配

系统采用 GE智能平台的PAC Systems RX3i控制器进行控制，其输入输出地址分配如表1、表 2所示。

表1 输入地址分配表

表2 输出地址分配图

4.4 软件设计

本机械手控制系统采用GE通用编程软件Proficy Machine Edition编程软件进行编程，工作流程如图7所示。

图7 系统工作流程图

5 结语

本系统使用了气动技术、PLC技术、触摸屏技术、伺服电机控制技术等方面设计开发一台气动伺服搬运机械手模型。该系统操作方便、运行可靠，能够自动完成预定动作，具有一定的推广前景。

[1] 张海英等.基于PLC的气动吸盘式工业机械手设计[J].机械工程师,2010(11):32-33.

[2] 胡志刚等.机械手搬运物料精确定位控制系统设计[J].实验技术与管理,2014(6):93-96.

[3] 蒋浩.基于PLC的工业机械手运动控制系统设计[D].南京:南京信息工程大学,2012.

[4] GE Fanuc Automation North America，Inc. PAC System Rx3i 系统手册: GFK-2314[K].GE Fanuc Automation North America,Inc.,2004.

[5] 李庭贵.气动机械手搬运物料精确定位控制系统设计[J].液压与气动,2012(1):54-56.

[6] 张庆良.基于PLC的气动机械手的设计[J].液压与气动,2012(5):121-122.