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基于PLC伺服电机的精确定位系统应用研究(完整资料).doc
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2022-12-02
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基于PLC伺服电机的精确定位系统应用研究(完整资料).doc
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基于 PLC 伺服电机的精确
定位系统应用研究(完整资料)
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基于 PLC 伺服电机的精确定位系统应用研究
摘要:在 PLC 伺服发电机传统的零点定位中,往往会出现计算的偏差以及定位的准确度失
灵,因此需要采用合理方法提升其定位精度.本文针对于实际应用中对于伺服电机的对于平面
具体坐标的准确把握监控,研究了利用 PLC 为主导的辅助伺服电机的平面运动控制,在成
本上尽可能地削减,提高定位的精度以及实现了低速渐变的控制。通过视觉检测的特征分析
直接对仪器进行校正,不仅在控制的便利性上大大提高,而且也对精度进行了极大的提高,
从而全面的推动了伺服发电机的精确定位系统的进一步延伸与发展。
关键词:PLC;精确定位系统;视觉检测;伺服电机
1 引言
在一些精密机械工业的生产中,精确性是影响产品质量和产量的主要因素,尤其是在机
械表,仪表等大量使用细小精密的零件的加工行业中,如何对细小零件的组装位置进行入微
细致的检测始终是一个较大的难题。为了实现精密工业的产量提高,在精密机械的生产环节
中引入自动检测环节成了研究的主要着力点,在这之中引入了基于PLC 的伺服电机精确定位
系统来实现这一主要功能。
华南理工大学的阮安正教授在《浅析工业基于PLC 的伺服电机定位运动》一文中对与
当前国内外的PLC伺服电机定位系统进行了简要的分析,在近些年国家的大力号召下,制
造业进行了全面的产业升级,机器逐渐代替过去的人力在工业中扮演着重要的作用,广泛地应
用于电机和其他动力系统的控制.而在国际上的一些学术期刊中则是大多对于松下,三菱,西
门子几家公司所生产的PLC 为主要的实验对象,重点对于基于PLC的伺服电机精确定位系
统对于精度,成本,效率等标准研究进行了深入的研究,而在结构上较为墨守成规
【2】
。外
对于钢坯标识系统的开发研究进行的比较早,技术比较先进,产品比较成熟,设备自动化的
程度也比较高。目前在钢坯标识领域占有绝对优势的企奥地利的 NUMTEC 公司早在 2004
年推出了可以进行定位的伺服发电机,它作为一个单体标识设备,操作较为简单,只需要在
液晶控制面板上设置相应的参数即可工作,缩短了工程人员现场调试时间,节省了大量的人
力物力
【3】
本文采用了 PLC 为主导辅助伺服电机来实现一种精确定位系统可用于精密工业,实现
在低速的环境下对于精度的精确控制的低成本平面运动工作台的可行性研究和设计,在精度
的要求上以微米级为主要的实现目标。在具体的研制过程中引入了视觉检测技术,使用了具
有高精度的 CDD 相机来完成对于精密零件的视觉采集,通过事先设置的多个参考点定位特
征点来进行检测修正,实现检测环节的自动化设计
[3]
。
2 研究方法
2.1 系统结构设计
检测系统的具体结构由图 1 所示.在系统的主要控制位置上采用的是计算机来进行系统
和用户之间的主要交互接口,完成系统对用户命令的理解和用户对系统状态的了解。PLC
在系统中完成对运动系统的主要控制,主要是对其下两个伺服电机进行逻辑控制。在检测时,
将待测的零件置于载物台上的60 个矩阵孔中。开始测量时,伺服电机在 PLC的控制下驱
动工作台进行平面上的二维移动,其上的 CDD 照相机就能在电机的带动下对载物台上的每个
零件进行定位
[4]
,一旦定位,就会完成相机对每个零件进行图像的采集,并将采集到的图
像发送给 PC端进行图像的处理工作,由 PC 程序判断零件是否符合要求,并完成对PLC下
一步运动命令的指示。
在对每个零件进行定位时候要求工作台对于零件做到精确定位的要求,相机的焦点中心
和矩阵孔的中心小孔在X,Y 两个维度上的偏差不能超过±50um,一旦偏差过大,工作台
会自动对相机的位置进行校正.对于矩阵孔和载物台的硬件误差要求上都不得超过 15um,因
此工作台的零点自动校正的误差加上其自身的定位精度的误差不能超过20um。
Fig. 1 mechanism diagram of inspection system
2.2 工作台驱动系统设计与研究
工作台使用的丝杆为 5mm 导程无间隙型精密丝杆,滚动轴承采用 P5 精度级别。控制运
动的 PLC 采用西门子生产的 S7—200 系列,CPU 选用的是 224CN型号。伺服电机驱动
器采用的是松下制造的 M NAS A4系列,而伺服电机本身的选用采用同公司生产的 MS
MD012PIU 型号伺服电机
[5]
。整个驱动系统包括控制电路的硬件连接,PLC 控制程序
的逻辑设计,PLC 与 PC 之间通讯设计,驱动器各项参数调整.是整个精度控制系统的核心
环节,主要为 PLC 接收从 PC 出传送来的运动指令,并在自身控制程序的运行下驱动电机
将相机精确地移动到相应的 X,Y 坐标上,实现零件的精确定位功能.
2.3 硬件的连接
在使用时,使用 PLC 中的高速脉冲输出功能,配合伺服电机的中的位置控制模式来完成
精确定位系统的具体实现.工作台上采用两个伺服电机来完成 X,Y 方向上的移动功能,每个
伺服电机都配备电机驱动器用于完成 PLC对其的驱动和控制
[6]
.PLC 的 I/O 口与电机驱动
器关于控制的 I/O端口之间进行连接,具体端口列表如表 1 所示:
Table 1 drive port table
Equipment
Driver
PLUS(Pulse input)
SIGN(Motor direction control)
CL(counter reset)
NH(Pulse static input)
S—RDY(End of servo)
ALM(Servo alarm)
CON(End of the positioning)
Port
CWL&CCWL(Positive and negative
limit input)
驱动器的 PLUS 端口连接到 PLC 的 Q0。0 和 Q0.1端口用于PLC 对伺服电
机的控制脉冲指令的发出。驱动器的 CWL 和CCWL端口以及 PLC 的输入口
分别接到工作台两轴的两个限位开关上,使得工作台的启动和关闭具有保险和复
位的功能。PLC 的全部 I/O 端口包含有 8 个输出端口和 10 个输入端口,其中两
个电机驱动器分别使用 9 个端口,PLC 多出来的端口用于其他模块的控制和交
流
[7]
。
3 讨论与分析
3.1 PLC 程序设计
PLC 的主要程序为测量控制模块,其中还还包括在单件零件测量上出现误差
之后的自动校正程序以及用于与PC 之间进行主从机通讯的通讯程序。以及检测
仪的两种不同的工作模式.
驱动器的输入输入端可以接收有 PLC发送来的脉冲指令,实现 PLC对电机
驱动模块的控制信息传送,还能接收编码器发回的波形模拟信号的反馈信息。C
PU224CN 型的PLC 具有自主的输出 PTO 以及PWN信号的功能,通过Q0。0
以及 Q0。1 两个端口可以输出最高频率为20kHz 的信号,并且不会受到CPU
的不同工作方式的限制。这一功能在对于各种电机的调速实用中得到了广泛的使
用,对于直流和交流电机的调压中也有不少的应用.PLC脉冲输出使用的寄存器
包括SMB67和 SMB77,脉冲参数的设置使用了SMW68~SMD172以及S
MW78~SMD172 来完成
[8]
。对于脉冲状态则是使用了 SMB66 和 SMB76 来进
行脉冲状态的反应起到了对脉冲输出的检测作用。其中脉冲具有两种输出模式:
单段式和多段式。多段式的脉冲指令为PLS,当 CPU 读取到相应的多段式指令
时,就会自动地寻址到多段式的存储区中的参数,将参数送入 CPU,多段式存储
区利用 PLC 的 V 存储区来担任
[9]
。
PLC 的 Q0。0 和 Q0.1 口分别用于对两个相交方向上的电机的驱动器进行
控制,对电机驱动器输出 PTO 脉冲,使用的工作频率一般采用 20kHz、三段式
脉冲,使得工作台能够正常稳定地运作。PLC 控制流程图如图 2 所示:
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