基于PLC和伺服电机的剪刀叉升降台控制系统设计

引言

应公司项目要求,需要设计一套在平台表面负载有变化的条件下,使剪刀叉结构的升降台能匀速升降的方案。公司因已有一套基本的剪刀叉装置,为了不再增加机械结构,所以这次不考虑机械式恒转矩匀速升降台方案。本文采用PLC和伺服电机的组合来满足控制要求,最终设计的升降台设备如图1所示。

图1升降台三维图

1系统介绍

系统介绍分两个方面,一是控制设备组成,二是控制原理。

1.1控制设备组成

系统选择汇川PLCAC801作为控制器,AC801智能机械可编程控制器采用书本式全金属机身,可提供丰富的网络接口来满足各种项目的扩展需求,具备强悍的运动控制性能,拥有卓越的运算能力,适合高负荷运算应用。

图1底部是电机转动丝杆的结构,电机驱动选用汇川1s810N-1NT系列标准型多机传动伺服,采用米兰研发中心的底层算法平台,满足行业设备的性能、功能、体积、安全、耐环境性等需求,通过EtherCAT协议与PLC通信。

采用工控机作为上位机,实时监控设备运行状态,监控和操作画面通过组态软件自由编制。另外还有数据采集和处理功能,采集的大量数据储存在本地硬盘,可以表格形式查看,数据表格上有对应的序号和时间,查询方便。工控机通过MoDBUsTCP协议与PLC进行通信。

四个高度测量传感器安装在平台四个角,用来监控平台高度变化,传感器通过Rs485协议与PLC通信,工控机通过PLC也能读取高度数据。

系统组成整体框架图如图2所示。

1.2控制原理

首先,设备动力来自伺服电机,通过丝杆带动一边活动的剪刀臂移动,然后PLC程序准确控制伺服电机做水平变速运动,使平台在垂直方向匀速运动。这一过程中伺服的速度参数是PLC根据设定好的计算公式实时改变的,目前速度控制变化周期在几十毫秒左右。计算公式需要的机构尺寸标注如图3所示。

具体的公式通过剪叉机构计算与虚位移原理可以得出:

后面进行公式推理,对位移求导就是速度参数,得到公式:

Vx是水平速度,也是伺服电机的速度,需要通过计算得到。Vy是平台速度设定值,a是伺服水平位置,最低点为原点,位置为0,B是最低点时两端点的距离。对比公式(3)(4),再通过勾股定理可得:

将式(5)以梯形图形式写入PLC中,PLC启动程序控制伺服运行,Vx速度实时变化。

2系统程序设计

升降台系统的程序设计主要包含PLC控制程序设计和工控机程序设计。

2.1PLC控制程序设计

本项目使用汇川PLC软件InoProshop来编写程序,主要用梯形图编程,少数地方用sT语言。程序内容主要有伺服控制、手动控制、自动控制、传感器通信、工控机通信、设备报警提示等,如图4所示。

2.2工控机程序设计

在工控机上有可视画面,能对设备进行监控、操作、数据采集,如图5所示。

在操作页面上有主页面画面,可以切换操作模式,在自动模式下能自动循环升降,可以查看当前运行状态:有手动操作画面,可以对伺服点动和单动:有自动参数画面,可以设置伺服参数:有报警界面,出现故障时可以在此查看。在平台自动运行过程中,工控机会记录传感器高度值、伺服位置及伺服扭矩值。

3运行结果分析

在设备运行一段时间后,从工控机导出数据,截取一段完整的从最低点到最高点的数据,包含四组高度数据和一组伺服位置,如表1所示。

本文就以高度1和伺服位置为例,来制作曲线图。为了能直观展现,需要排除不必要的数据,因此除去了头尾加减速段的数据,只看匀速段的数据,故采用从序号3到20的数据。另外数据采集时,2个采集点的时间是相等的。利用wPs表格生成曲线图如图6、图7所示。

由图6可知,平台高度在均匀增加,说明垂直方向在做近似匀速运动。至于为什么不是笔直的斜线,则是因为存在设备测量误差、机械间隙等影响因素。图7显示的伺服位置提升越来越快,说明水平方向速度越来越快。图7的曲线相比图6看起来更加顺滑,可能是因为伺服位置数据是读取驱动内部的参数,伺服运行是平滑的。由此得出结论,该控制系统可以实现剪刀叉升降平台的匀速运动。

4结语

本文设计的剪刀叉升降台控制系统是在汇川PLC、伺服等硬件基础上,通过控制电机速度实时变化来实现平台匀速运行的功能,然后再用数据来验证是否匀速,确认结果。在项目实施中发现不少地方仍能优化,比如伺服控制上还能提高速度变化频率,PLC性能没有充分发挥;部分梯形图可以转化成sT语言,提高程序运行速度;可以增加工控机数据采集样本,这样数据更准确。目前这个升降平台设备将安装在汽车换电站设备上,用于取放汽车上的电池。希望这种控制系统能够越来越可靠,在自动化行业中发挥更重要的作用。