案例43立体仓库物流伺服控制系统Word格式.docx

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6

（14）

（15）

光电开关

BR100-DDT

（16）

（17）

（18）

485通迅电缆

自制

根

三、机器人搬运单元的控制

1、机械手搬运单元结构简介

执行机构由直行导轨、同步轮、同步带、四轴四自由度机器人组成。

其中机器人第一轴旋转轴由步进电机执行，第二轴手臂上下摆动轴由摆动气缸驱动，第三轴手爪夹紧放松由气缸驱动，第四轴手腕翻转轴由直流电机执行旋转。

机器人的直行也是由步进电机执行的。

机器人的结构如图2所示。

控制单元由FX2N-48MTPLC、FX2N-1PG模块、FX2N-485BD模块、金属传感器、电磁阀、磁性开关等元件组成。

图2机器人搬运单元结构图

2、气动系统原理图与机器人搬运单元电气控制

气动系统原理图如图3所示,机器人搬运单元控制电路原理图如图4所示。

图3气动系统原理图

图4机器人搬运单元电气原理图

3、机器人搬运单元的运动控制

机器人的旋转和直行运动分别由2台二相步进电机执行，步进电机的型号为42BYG-24VDC，步距角为1.8°

。

而步进电机是由BY-2HB03M型步进驱动器进行驱动。

BY-2HB03M型步进驱动器的外形如图5所示：

步进驱动器的输入信号共有三路，它们是：

①步进脉冲信号CP+,CP-；

②方向电平信号U/D+，U/D-；

③脱机信号FREE+，FREE-。

对这三路信号可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。

通过调整驱动器拨码开关三位的ON、OFF位置设定驱动器的细分数，以改变步进电机的步距角。

细分后步进电机步距角按下列方法计算：

步距角=电机固有步距角/细分数。

拨码开关与细分数的关系如下：

位1，2，3

细分数

步距角

000

0.9°

001

16

0.1125°

010

32

0.05625°

011

64

0.028125°

100

0.36°

101

10

0.18°

110

20

0.09°

111

40

0.045°

步进电机相电流是用驱动器上的电位器来设定，使驱动器输出电流与步进电机相电流相一致。

电位器的调整如右图所示。

机器人的旋转步进电机用PLC输出端的Y0作高速输出控制；

直行步进电机用PLC的扩展功能模块FX2N-1PG进行控制。

FX2N-1PG为脉冲发生器单元，通过向伺服或步进电机的驱动器提供指定数量的脉冲（最大100kPPS）来实现一个独立轴（不包含多轴之间的插补控制）的简单定位。

FX2N-1PG的信号端子及其功能见表1。

PLC使用FROM/TO指令读写其内部BFM来实现对FX2N-1PG的控制。

各个BFM的定义见表2。

关于FX2N-1PG更详细的说明，可参见三菱《FX2N-1PG用户指南》。

机器人的任务是将货物（以圆柱形料块模拟货箱）在提货平台与入仓平台之间进行搬运，如图6所示：

图6机器人搬运路径示意图

表1FX2N-1PG的信号端子

机器人的动作根据控制要求可手动或自动运行。

手动时触发一次“正转”按钮，机器人手臂沿顺时针方向旋转30°

；

触发一次“反转”按钮，则逆时针转动30°

，若感应到旋转原点信号则立即停止该方向运行。

按“下摆”按钮机器人手臂下摆到限位处；

放开“下摆”按钮则手臂上摆回正常状态。

触发一次“手爪翻转”按钮，则机器人手腕翻转180°

触发一次“手爪转回”按钮，则机器人手腕翻转回正常。

按下“右移”按钮，机器人沿导轨右移，松开按钮即停止右移；

按“左移”按钮时，则机器人以同样的方式沿导轨左移。

所有的手动/自动选择开关及各按钮，包括自动启动按钮等均在触摸屏画面中操作。

在自动方式时，按下启动按钮后，机器人按照下列动作顺序流程从提货平台搬运货件放到入仓平台上：

机器人直行及手臂旋转均回到原点位置——手臂顺时针旋转30°

对准提货平台——松开手爪——手臂下摆到限位处——手爪夹紧货件——手臂上摆——机器人向右行走800mm至目标位置——手臂顺时针旋转120°

对准入仓平台——手臂下摆——松开手爪——手臂上摆——手爪夹紧——手臂逆时针摆回旋转原点——机器人向左直行600mm停止。

（从入仓平台向提货平台搬运货件的控制过程本例中不作介绍）

表2FX2N-1PGBFM的定义

搬运机器人控制系统I/O分配如表3所示：

表31#PLCI/O分配表

输入点

功能

输出点

触摸屏设置变量

X0

步进旋转原点

Y0

脉冲输出

M0

启动信号

X1

摆动汽缸上摆限位

Y20

方向信号输出

M1

停止信号

X2

摆动汽缸下摆限位

Y3

手臂摆动汽缸电磁阀

M2

手臂正转信号

X3

抓手电机左转限位

Y4

抓手汽缸电磁阀

M3

手臂反转信号

X4

抓手电机右转限位

Y5

抓手电机右转继电器

M4

手臂下摆信号

PG0-

直行原点传感器

Y6

抓手电机左转继电器

M5

手爪翻转信号

DOG

直行减速点传感器

D0

脉冲数设置值

M6

手爪转回信号

STOP

直行限位点传感器

D100

机器人当前位置值

M7

机器人左移信号

M900

入仓平台已空标记

M30

发送旋转电机脉冲标记

M8

机器人右移信号

M800

货件已送入仓平台标记

M9

手动/自动选择信号

步进电机驱动器参数设置：

1#直行电机驱动器：

电流：

1.0A

细分设置：

拨码100,电机步距角0.36°

，每1000个脉冲电机转1圈，对应机械人直行移动7mm，机器人移动1mm需要142.857个脉冲。

2#旋转电机驱动器：

电流：

细分设置：

拨码101,电机步距角0.18°

，每2000个脉冲电机转1圈，对应机械人手臂转动15.5°

，手臂转1圈需要46440个脉冲。

搬运机器人控制程序如下：

四、立体仓库单元的控制

1、立体仓库的结构简介

执行机构由一个3层3列的立体仓库库架、堆垛机、入仓平台、X轴和Z轴直行导轨、X轴和Z轴丝杆、两套伺服电机组成，如图7所示。

控制单元由FX2n-48MTPLC、FX2n-485-BD通信模块、伺服驱动器、电磁阀、接近开关、磁性开关等组成。

图7立体仓库的结构

2、堆垛机的电气控制原理图

货箱由搬运机器人搬送到立体仓库的入仓平台后，由堆垛机搬往库架。

送入由触摸屏上指定编号的仓位（触摸屏连接在1#PLC上，2#PLC所需用的数据通过RS-485接口进行传送）。

堆垛机的X轴及Z轴的运动分别由2台伺服电机驱动。

控制电路图如图8所示。

图8立体仓库电气控制原理图

3、三菱MR-E-20A伺服驱动器简介

三菱通用AC伺服MR-E-A系列是在MR-J2-Super系列的基础上开发的，保持了原系列的高性能但是限定了某些功能。

它具有位置控制和速度控制等2种控制模式，而且能够在这2种模式之间切换运行，适用于以加工机床和一般加工设备的高密度定位和平稳的的速度控制为主的各种领域。

在位置控制模式时，用最高500kpps的高速脉冲串执行电机旋转速度和方向的控制，分辨率为10000脉冲/转的高精度定位。

另外，位置平滑功能可根据设备从2种方式中选择适当的方式，对于急变的位置指令可实现平滑的启动和停止。

在速度控制模式时，用由参数构成的内部速度指令（最多7速）对伺服电机的旋转速度和方向进行高密度的平滑控制。

另外，对于速度指令，它还具有进行加减速时的常数设置和停止时的伺服锁定功能。

MR-E系列伺服驱动器的标准规格如表4所示：

表4MR-E系列伺服驱动器的标准规格

伺服放大器

MR-E-□

项目

10A

20A

40A

70A

100A

200A

电源

电压、频率

三相AC200~230V，50~60Hz或单相交流230V，50~60Hz

三相AC200~230V，50~60Hz

允许电压波动

三相AC200~230V：

170至253v

单相交流230V：

207至253V

三相AC170至253V

允许频率波动

±

5%

方式

正弦波PWM控制，电流控制系统

动力断路器

内置

保护功能

过电流断路，再生过电压断路，过负载断路（电子热敏），编码器出错保护，再生制动器出错保护，欠电压、瞬时失电保护，过速保护

位置

控制

模式

最大输入脉冲频率

500kpps（差动接收器时）200kpps（集电极开路时）

指令脉冲频率（电子齿轮）

电子齿轮A/B倍A:

1~65535131072B:

1~65535

1/50<

A/B<

500

定位结束宽度设置

0~±

10000脉冲（指令脉冲单位）

误差过大

10转

转矩限制

参数设置

速度

速度控制范围

内部速度命令1:

5000

速度波动率

≤±

0.01%（负载波动0~100%）

≤0%（电源波动±

10）

构造

自冷，开放（IP00）

强冷，开放（IP00）

环境

温度

运行

0~+55℃（无冰冻）

保存

-20~+65℃（无冰冻）

湿度

90%HR以下（不结露）

空气

室内（不受直射阳光照射），五腐蚀性气味，无易燃气体，无油雾，无尘埃

标高

海拔1000m以下

振动

5.9m/s2以下

MR-E-100A以下的伺服驱动器面板布置及各部分名称如图9所示：

图9伺服驱动器面板布置及各部分名称

驱动器的CN1为输入输出信号插座，对CN1中的信号分配，因控制模式的不同，对各引脚的信号分配也有所不同。

部分引脚所定义的信号可通过相关的参数设置加以变更。

具体参见表5。

表5的“I/O”列中I为输入信号，O表示为输出信号。

控制模式中的P表示为位置控制模式；

S表示速度控制模式；

P/S表示位置/速度切换模式。

表5中各个信号名称的说明见表6所示。

MR-E-A系列伺服驱动器的参数一览表见表7。

更详细的信号说明及参数说明请参见《三菱通用AC伺服MR-E-□A伺服放大器使用手册》。

表5CN1信号分配表

连接器

引脚号

（注1）

I/O

（注2）控制模式下的输入输出信号

相关参数

P

P/S

S

CN1

VIN

OPC

I

RES

RES/ST1

ST1

No.43~48

4

SON

CR

LOP

ST2

LSP

7

LSN

EMG

9

O

ALM

No.49

INP

INP/SA

SA

11

RD

12

ZSP

No.1，49

13

SG

14

LG

15

LA

LAR

17

LB

18

LBR

19

LZ

LZR

ZLR

21

OP

22

PG

PG/-

23

PP

PP/-

24

NG

NG/-

25

NP

NP/-

26

表6输入/输出信号名称的说明

简称

信号名称

伺服ON

准备就绪

正转行程终端

零速度检测

反转行程终端

定位结束

清除

速度到达

SP1

速度选择1

故障

SP2

速度选择2

WNG

警告

PC

比例控制

编码器Z相脉冲（集电极开路）

正转启动

MBR

电磁制动器互锁

反转启动

编码器Z相脉冲（差动驱动）

TL

转矩限制选择

复位

编码器A相脉冲（差动驱动）

外部紧急停止

控制切换

编码器B相脉冲（差动驱动）

正转、反转脉冲串

数字I/F用电源输入

集电极开路电源输入

数字I/F用公共端

TLC

转矩限制中

控制公共端

VLC

速度限制中

SD

屏蔽

表7MR-E-A参数一览表

分类

No.

初始值

用户

设置值

*STY

控制模式和再生用选购件选择

PS

*OP1

功能选择1

0002

AUT

自动调谐

0005

CMX

电子齿轮分子（指令脉冲倍率分子）

CDV

电子齿轮分母（指令脉冲倍率分母）

到达位置范围

plus

PG1

位置控制增益1

35

rad/s

PST

位置指令加减速时间常数（位置平滑）

ms

8

SC1

内部速度指令1

r/min

SC2

内部速度指令2

SC3

内部速度指令3

1000

STA

速度加速时间常数

STB

速度减速时间常数

STC

S形加减速时间常数

生产厂设置用

*SN0

站号设置

站

*BPS

串行通信功能选择、报警记录清除

0000

MOD

模拟监视器输出

0100

*DMD

状态显示选择

*BLK

参数写入禁止

*OP2

功能选择2

*OP3

功能选择3（指令脉冲选择）

*OP4

功能选择4

FFC

前馈增益

%

零速度

50

27

*ENR

编码器输出脉冲

4000

plus/rev

28

TL1

内部转矩限制

29

30

31

MO1

模拟监视器1偏置

mV

MO2

模拟监视器2偏置

33

电磁制动器序列输出

34

GD2

对于伺服电机的负载转动惯量比

70

0.1倍

PG2

位置控制增益2

36

VG1

速度控制增益1

177

37

VG2

速度控制增益2

817

38

VIC

速度积分补偿

48

39

VDC

速度微分补偿

980

41

*DIA

输入信号自动ON选择

42

*DI1

输入信号选择1

43

*DI2

输入信号选择2（CN1-4）

0111

44

*DI3

输入信号选择3（CN1-3）

0882

45

*DI4

输入信号选择4（CN1-5）

0995

46

*DI5

输入信号选择5（CN1-6）

47

*DI6

输入信号选择6（CN1-7）

LSPN

LSPLSN输入端子选择

0403

49

*DO1

输出信号选择1

51

*OP6

功能选择6

52

53

*OP8

功能选择8

54

*OP9

功能选择9

55

*OPA

功能选择A

56

SIC

串行通讯超时选择

s

57

58

NH1

机械共振抑制滤波器1

59

NH2

机械共振抑制滤波器2

60

LPF

低通滤波器、自适应减振控制

61

GD2B

对于伺服电机的负载转动惯量比2

62

PG2B

位置控制增益2变更比率

63

VG2B

速度控制增益2变更比率

VICB

速度积分补偿变更比率

65

*CDP

增益切换选择

66

CDS

增益切换阀值

（注2）

67

CDT

增益切换时间常数

68

生产厂设置指令用

69

CMX2

指令脉冲倍率分子2

CMX3

指令脉冲倍率分子3

71

CMX4

指令脉冲倍率分子4

72

SC4

内部速度指令4

200

73

SC5

内部速度指令5

300

74

SC6

内部速度指令6

75

SC7

内部速度指令7

800

76

TL2

内部转矩限制2

77

78

10000

79

80

81

82

83

84

4、堆垛机的运动控制

立体仓库单元的堆垛机系统，是由两套伺服电机带动两轴滚珠丝杠实现堆垛机的定位控制，分别为X轴（水平运动）和Z轴（垂直运动），通过两轴伺服电机运动脉冲，构成各操作点坐标数。

因此，同时控制两轴运动，就可对堆垛机进行高精度定位操作。

在立体仓库的库架上共有9个仓位，仓位编号如下表所示：

（右端）

第3列

第2列

第1列

（左端）

第3层

9#仓位

8#仓位

7#仓位

第2层

6#仓位

5#仓位

4#仓位

第1层

3#仓位

2#仓位

1#仓位

入仓平台