1 引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
有些类型的PLC如三菱FX-2N和西门子S7-200晶体管输出类型可输出高速脉冲,但是S7-300的PLC必须使用功能模块FM353,如无此模块,可用S7-300使用循环中断OB35控制高速脉冲的产生,驱动晶体管输出模块的输出代替FM353,,驱动步进电机精确定位,是一种经济的解决方案。
2 系统组成
工件自动分拣系统由上料装置、输料皮带、气动横梁机械手、八工位料盘和各种传感器等组成。
工件由料筒推出,经皮带运送至机械手下方。输料皮带的两侧安装有电容传感器、电感传感器、颜色传感器、光电传感器及对射传感器等传感器,使用传感器分辨被分拣的工件的材质和颜色。
被分拣的工件有2个白色塑料工件、2个黑色塑料工件和4个金属工件共8个,被随机放置在井式料筒中。料筒中的工件被推出后经输料皮带送至气动横梁机械手下方,经机械手放置在八工位料盘相应的位置上,如表1所示。
表 1 工件在料盘中放置的位置
八工位料盘被分为3个区,8个工位,如图1所示,每转过一个工位,需旋转45°,料盘在初始位置由霍尔传感器定位。气动横梁机械手放置工件的位置是固定的,为3区1号工位的位置。如果想把被分拣的工件放置在1区2号工位,则需料盘逆时针旋转90°,将1区2号工位旋转到3区1号工位的位置,气动机械手将工件放好后提升,料盘再顺时针旋转90°,回到初始位置。
图 1 八工位料盘的工位分布
3 解决方案
3.1 步进电机的驱动
系统使用步进电机控制料盘的旋转,步进电机使用步进驱动器驱动,步进驱动器的型号为YKA2608MC,它是等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器,驱动电压DC24-80V,采用单电源供电。适配6或8出线电流在6.0A以下,外径57-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。步进电机和驱动器的接线如图2。
图2 步进电机和驱动器的接线图
3.2 步进驱动细分数
步进电机固有步距角 1.8°,PLC每发出一个控制脉冲至步进驱动器,驱动器驱动步进电机旋转1.8°,如驱动器设置细分数,则该固有步距角被细分,如细分数为5,则旋转1.8°需5个脉冲。YKA2608MC细分数表如表2 。
3.3 循环中断组织块OB35
循环中断组织块,按一定时间间隔循环执行中断程序,间隔时间从STOP切换到RUN模式时开始计算。可以使用的循环中断组织块的个数与CPU的型号有关,S7-300除CPU318外只能使用OB35,工件自动分拣控制系统使用的CPU是CPU315-2DP,使用OB35, OB35默认的时间间隔为100ms。
如果使用晶体管输出Q8.5作为步进驱动的脉冲信号,需在OB35中编程如下,
Q8.5的状态会随OB35的每次调用后翻转,输出方波信号如图。OB35的循环周期在CPU属性组态窗口中设置,如图 将OB35的循环时间为设置为5ms,每隔5ms执行一次OB35,
则Q8.5的输出脉冲的周期为T=10ms,频率f=1/T=100Hz。
3.4 循环中断组织块OB35的激活和禁止
如果不对OB35的执行加以控制,则在运行过程中OB35自动被执行,Q8.5一直输出方波信号[1]。由于Q8.5信号的处理程序放置在OB35中,当需要的脉冲个数输出完毕,禁止OB35的执行,从而控制脉冲输出的个数;需要输出脉冲时,激活OB35,从而使八工位料盘转动。由于OB35无专用SFC激活和禁止,因此使用通用的SFC40和SFC39来激活和禁止OB35,如图4所示 ,并且使用上升沿触发相应的SFC。
图4 禁止和激活OB35执行的系统功能
SFC39和SFC40
SFC40 “EN_INT”是启用新中断和异步错误处理的系统功能
SFC39 “DIS_INT”是禁用新中断和异步错误处理的系统功能
SFC39和SFC40的参数说明如表3。
表2 YKA2608MC步进驱动器细分数
表3 SFC39和SFC40的参数说明
其中MODE参数取值的含义如表4。
表4 SFC39和SFC40中MODE取值含义
4 控制系统程序
4.1 系统程序结构
系统编程采用模块化编程的方法,子程序为FC1和FB1。其中各程序的功能如下:
OB1: 主程序
OB35: 循环中断
FC1: 上料、输料皮带控制及检测元件材质、颜色登记
FB1: S7-Graph编程,主要控制气动横梁机械手
DB1: FB1的背景数据块
SFC64: 读系统时间
FC72: FB1运行的主要代码
DB1、SFC64 和 FC72在编译FB1过程中自动产生
SFC40“EN_INT”是启用新中断和异步错误处理的系统功能,激活OB35执行
SFC39“DIS_INT”是禁用新中断和异步错误处理的系统功能,禁止OB35的执行
4.2 主程序流程
图5 控制系统流程图
程序说明:
1) 料筒中随机推出的工件经输送带两侧的传感器检测后,产生的信号在OB1中调用SFC40,激活OB35执行,输出高速脉冲,高速脉冲的个数由工件的颜色和材质决定,并把这些需计数的脉冲个数赋值给减计数器。在OB35中使用减计数器对Q8.5输出的脉冲计数,当减计数器计数为零时,通过比较指令控制SFC39执行,禁止OB35执行,控制Q8.5产生的脉冲个数,从而控制料盘停止的位置。在控制SFC39和SFC40时均需使用上升沿信号控制,在一个扫描周期内两个SFC块同时被激活,会导致系统停机。
2) FB1采用S7-Graph的编程方法,该方法能够快速、准确地编制顺控程序,控制气动横梁机械手的执行,八工位料盘的控制程序与横梁机械手程序并行执行,提高了工作效率。
5 监控组态画面
图6 自动控制画面
图7 手动控制画面
二类主站使用的是威纶触摸屏MT6100I,与S7-300PLC使用MPI通信,自动和手动控制画面如图6和图7,料盘各工位放置工件情况如图8,其中放置工件的工位显示为绿色。
图8 手动控制画面
6 结束语
该设备覆盖的知识面广,分别涉及PLC控制、气动传动、变频器、触摸屏应用及步进控制等内容,尤其是八工位料盘的步进控制,在无功能模块FM353的情况下,用晶体管输出模块代替该功能块,输出高速脉冲驱动步进电机,在实验室应用中取得了良好的效果,是一种经济的解决方案。
参考文献:
[1] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京.机械工业出版社2009,1.