五轴铣削混联机器人控制系统采用 PLC 作为核心控制部件,可以降低对操作人员的危害 [3]。操作人员可以通过触摸屏对五轴铣削混联机器人进行远程控制,主要包括对五轴铣削混联机器人的 3 个电动缸的伸缩运动控制,2 个旋转电动机的旋转控制、电主轴的转速控制,实现对五轴铣削混联机器人的实时控制。五轴铣削混联机器人的控制系统如图 2 所示。
控制系统主要由 1 个触摸屏、2 个控制器、3 个电动缸、2 个电动机及 1 个电主轴组成。通过上位机将运动控制程序下载到控制器中,触摸屏程序下载到触摸屏中,控制器接收触摸屏发出的指令,收到指令后,控制器根据运动程序发出各种运动控制指令,传输到电动缸和电动机的伺服驱动器,伺服驱动器根据收到的指令控制电动缸、电动机及电主轴的运动。PLC 控制器发出指令使各个电动机安全平稳地运行。电动机、电动缸、减速器的型号如表 1 所示。

表 1 硬件型号
表格
| 编号 | 设备名称 | 品牌及型号 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 1 | 电动机 | 松下 MSMF082L1V2M | 2 |
| 2 | 电动机 | 台达 ECMA‑C11330D4 | 3 |
| 3 | 减速器 | 住友 D25‑89 | / |
| 4 | 减速器 | 住友 A25‑119 | / |
| 5 | 触摸屏 | TP‑900Comfort | 1 |
| 6 | PLC | ST40 | 2 |
S7‑200 SMART 是西门子 PLC 系列中的经典产品,具有功能强、扩展性较好、价格低廉的特点 [4]。其中 ST40 模块共有 40 个 I/O 通道,ST40 有 24 个数字量输入通道,16 个数字量输出通道,可同时控制 3 个电动机轴。由于有 3 个电动缸和 2 个电动机,需要 2 台 ST40 对其进行控制。并且要对每台 ST40 的 I/O 点进行分配,第 1 台 ST40 的 I/O 分配主要是对五轴铣削混联机器人的 3 个电动缸进行控制,如表 2 所示。
表 2 第 1 台 ST40 的 I/O 分配
表格
| PLC 地址 | 功能 |
|---|---|
| I0.0 | 启动按钮 |
| I0.1 | 停止按钮 |
| Q0.0 | 第 2 支链电动缸脉冲输出 |
| Q0.1 | 第 3 支链电动缸脉冲输出 |
| Q0.2 | 第 2 支链电动缸方向输出 |
| Q0.3 | 第 4 支链电动缸脉冲输出 |
| Q0.4 | 运行灯 |
| Q0.5 | 暂停灯 |
| Q0.6 | 第 2 支链电动缸警报清除 |
| Q0.7 | 第 3 支链电动缸方向输出 |
| Q1.0 | 第 4 支链电动缸方向输出 |
| Q1.1 | 第 3 支链电动缸警报清除 |
| Q1.2 | 第 4 支链电动缸警报清除 |
第 2 台 ST40 主要用来控制五轴铣削混联机器人中 A、C 轴,对其进行 I/O 点位分配,如表 3 所示。
表 3 第 2 台 ST40 的 I/O 分配
表格
| PLC 地址 | 功能 |
|---|---|
| Q0.0 | C 轴电动机脉冲输出 |
| Q0.1 | A 轴电动机脉冲输出 |
| Q0.2 | C 轴电动机方向输出 |
| Q0.4 | C 轴电动机警报清除 |
| Q0.5 | A 轴电动机警报清除 |
| Q0.6 | A 轴电动机方向输出 |
| Q0.7 | 电主轴启动 |
五轴铣削混联机器人控制电路设计主要包括伺服系统控制回路设计,PLC 输入输出控制回路设计。五轴铣削混联机器人伺服系统中采用 2 套松下伺服驱动器和 3 套台达伺服驱动器。每套伺服驱动器各配备 1 根电源线、1 根编码器线及 1 根抱闸线,与相对应的电动机相连。由于该系统有 5 个伺服系统,需要将五轴铣削混联机器人的伺服电动机、伺服电动缸及对应的伺服驱动器各自连接。伺服系统接线有电动缸伺服系统接线和 A 轴、C 轴伺服系统接线。图 3 为 A 轴、C 轴伺服电动机系统接线,图 4 为伺服电动缸的系统接线。


PLC 主要通过 DC24 V 电源给 PLC 供电。PLC 控制器给 5 套伺服驱动器发送脉冲和方向信号,进行伺服电动机和伺服电动缸控制,通过改变 PLC 单位时间发送的脉冲个数和脉冲方向控制电动机转动的速度和方向,完成预定动作 [5]。图 5 为第 2 台 PLC,主要控制五轴铣削混联机器人中的 A 轴、C 轴。图 6 为第 1 台 PLC,主要控制 3 个电动缸。

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