基于PLC的四軸搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置的研究

范芳蕾，余宏濤，張克義，章國慶

（東華理工大學(xué)江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330013）

基于PLC的四軸搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置的研究

范芳蕾，余宏濤，張克義，章國慶

（東華理工大學(xué)江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330013）

基于Dobot機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理確定結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合PLC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成四軸搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置的研制。該裝置控制系統(tǒng)采用大工計(jì)控MAC1610運(yùn)動控制器，控制四個(gè)步進(jìn)電機(jī)，完成搬運(yùn)功能。同時(shí)采用觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，對各關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)記錄的各關(guān)節(jié)的位置，完成示教再現(xiàn)功能。機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊，控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)簡潔、界面友好。

四軸搬運(yùn)機(jī)械手；PLC；人機(jī)交互；控制系統(tǒng)；示教再現(xiàn)

隨著工業(yè)自動化程度的提高，機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、汽車、電子、輕工等行業(yè)[1]。作為最常見的機(jī)械手，搬運(yùn)機(jī)械手可以在高危險(xiǎn)、高污染、高溫度、高輻射等環(huán)境中代替人手完成零件的抓取、搬運(yùn)、放置等工作，將工人從繁重的體力勞動中解放出來[2]。本文研制開發(fā)一小型四軸搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置，采用PLC控制、組態(tài)監(jiān)控，為搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動提供了一個(gè)仿真的工業(yè)環(huán)境，通過軟件控制代替硬接線控制，以軟件編程完成搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動過程的動作修改和控制，在一定程度上提高了搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的靈活性[3]。該系統(tǒng)具有成本低、易于集成、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 四軸搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

1 搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)按照給定程序或要求，部分替代人的手工勞動，自動完成物料搬運(yùn)，結(jié)構(gòu)上四自由度基本上能滿足工業(yè)需求。本文依據(jù)三自由度Dobot機(jī)器臂作為機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定結(jié)構(gòu)尺寸，并在其末端執(zhí)行器支架上增加腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，完成本體加工制作，使之達(dá)到四自由度的要求。Dobot機(jī)器臂的末端執(zhí)行器支架始終保持與水平面平行，特別適合搬運(yùn)作業(yè)[4]。小型四軸搬運(yùn)機(jī)械手及其PLC控制系統(tǒng)如圖1所示。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高搬運(yùn)機(jī)械手的通用性，并綜合分析小件的尺寸和重量要求，選用Parker ESG1-SS-2815型電動夾持器作為末端執(zhí)行器。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）具備手動示教和自動運(yùn)行兩種工作模式。在手動示教模式下，可分別控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動，并記錄控制點(diǎn)位信息。在自動運(yùn)行模式下，按照手動示教記錄的點(diǎn)位信息，機(jī)械手各關(guān)節(jié)依次運(yùn)動到指定點(diǎn)位，完成預(yù)定軌跡。在完成搬運(yùn)工作后，按預(yù)定軌跡返程。

（2）在搬運(yùn)和復(fù)位過程中，可預(yù)設(shè)運(yùn)動速度，提高工作效率。

（3）控制系統(tǒng)具備工件到位自動檢測功能。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)采用上位機(jī)（觸摸屏）和下位機(jī)（PLC）的兩級控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)完成主要控制參數(shù)設(shè)定、功能按鈕控制等功能，力求人機(jī)交互界面簡介直觀、操作靈活。PLC作為下位機(jī)控制系統(tǒng)核心，接收上位機(jī)的控制信息，實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行元器件的控制。機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要有PLC控制器、位置傳感器（光電開關(guān)、接近開關(guān)）、觸摸屏、開關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器組成。

（2）PLC和觸摸屏的選取

分析搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成，確定系統(tǒng)所需的I/O端口的數(shù)量和類型等要求，同時(shí)按照I/O端口20%～30%的備用原則[5]，選用大工計(jì)控MAC1610運(yùn)動主控器作為主控制器。該控制器擁有23路輸入，包含8路高速計(jì)數(shù)，最大1 MHz，16路高速脈沖輸出，最大500 kHz.MAC1610除了支持基本的邏輯控制指令外，可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)實(shí)軸+4個(gè)虛軸的高精度定位控制和4個(gè)軸組的多軸同步運(yùn)動控制[6]。

觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可以設(shè)置機(jī)械手運(yùn)動參數(shù)、運(yùn)行方式，并完成手動示教。本文選用威倫TK6070ik觸摸屏開發(fā)人機(jī)交互界面。觸摸屏與PLC之間采用RS485通訊，波特率11 5200 Hz.

3 控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序主要包括示教程序和自動運(yùn)行程序。示教程序通過上位機(jī)控制機(jī)械手點(diǎn)動到達(dá)控制點(diǎn)位，通過一系列的控制點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)機(jī)械手按照一定的軌跡運(yùn)動。示教完成后，自動運(yùn)行程序先回零，然后按照控制點(diǎn)位的順序運(yùn)動，完成指定的搬運(yùn)動作，再反向復(fù)位，如此循環(huán)往復(fù)。控制程序的流程圖如圖2所示，程序設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 控制系統(tǒng)程序流程圖

3.1 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

利用臺灣威綸科技公司開發(fā)的新一代人機(jī)界面軟件EasyBuilder8000完成人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，該平臺適用于MT8000和MT6000系列所有型號的產(chǎn)品[7]。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖3所示。觸摸屏通過Modbus RTU協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，人機(jī)交互界面中各控制元件及其Modbus地址如表1所列。

表1 控制元件Modbus地址

在圖3所示的人機(jī)交互界面上可以完成機(jī)械手控制系統(tǒng)的所有操作。軸0～軸4的絕對位移通過絕對位移輸入框直接輸入，軸的運(yùn)動方向由輸入數(shù)值的正負(fù)控制。同時(shí)在輸入框兩側(cè)增加了微調(diào)按鈕，方便對輸入量進(jìn)行調(diào)整。位移輸入完成設(shè)定運(yùn)動速度，單擊“點(diǎn)動”按鈕可以觀察機(jī)械手的運(yùn)動過程。執(zhí)行點(diǎn)動操作后選擇搬運(yùn)過程中的控制點(diǎn)位，其對應(yīng)的各軸位移可以通過“寫入數(shù)據(jù)”命令添加到控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表中，“點(diǎn)位個(gè)數(shù)”顯示當(dāng)前控制點(diǎn)位數(shù)目。對于有誤的控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)可以通過“刪除數(shù)據(jù)”命令予以剔除。執(zhí)行“復(fù)位”操作，機(jī)械手以給定速度回零。在示教完成后點(diǎn)擊“自動運(yùn)行”按鈕機(jī)械手自動回零后按照控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)入循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，執(zhí)行搬運(yùn)動作。

圖3 人機(jī)交互界面

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

MAC1610支持符合PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的單軸、多軸、軸組三大類運(yùn)動控制指令，每個(gè)運(yùn)動控制功能模塊都以IEC 61131語言中的功能塊語言存在[8]。這種由功能塊語言定義的運(yùn)動控制模塊，較傳統(tǒng)的PLC編程語言弱化了對編程語言的依賴性，使得編程人員能夠把工作重心放在應(yīng)用開發(fā)或解決問題上，提高了用戶運(yùn)動控制程序開發(fā)和維護(hù)的效率。此外，功能塊語言采用圖形化編程，程序設(shè)計(jì)簡單，具有較高的直觀性、易操作性以及可讀性[9]。PLCopen絕對定位指令如圖4所示。

圖4 絕對定位指令

該指令通過M0.0（點(diǎn)動按鈕）使能，控制軸0運(yùn)動當(dāng)前位置運(yùn)動到VD120指定的絕對位置，運(yùn)動速度通過VD110控制。指令執(zhí)行完成后，M0.01置位。

為了實(shí)現(xiàn)示教再現(xiàn)功能，程序?yàn)槊總€(gè)軸分配了絕對位移變量（VD120-VD136），并建立了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針（VD104、VD108）和一個(gè)控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表（首地址為VD200）。指針VD104用來在執(zhí)行“寫入數(shù)據(jù)”或“刪除數(shù)據(jù)”命令時(shí)對控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表進(jìn)行寫入或刪除操作。指針VD108用于在自動運(yùn)行過程中查表，讀取控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表中的各軸數(shù)據(jù)信息，并賦值給相應(yīng)軸的絕對位移變量地址，如圖5所示。

圖5 建立數(shù)據(jù)指針

執(zhí)行“自動運(yùn)行”命令，指針VD108讀取控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表各軸的絕對位移信息，控制各軸按照示教軌跡運(yùn)動。通過實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)能夠較好的跟蹤示教點(diǎn)位軌跡，完成再現(xiàn)功能。

3.3 實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證

利用開發(fā)的機(jī)械手進(jìn)行尼龍棒料2工位180°往復(fù)搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)。機(jī)械手回零后，通過觸摸屏手動調(diào)整到起點(diǎn)位置，然后手動示教往復(fù)搬運(yùn)動作，選取6個(gè)控制點(diǎn)位并存儲各關(guān)節(jié)的絕對地址。點(diǎn)擊“自動運(yùn)行”按鈕，機(jī)械手按照示教點(diǎn)位往復(fù)運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)過程中，通過上位機(jī)編程軟件監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)動過程。實(shí)驗(yàn)表明，開發(fā)的機(jī)械手具有較好的重復(fù)性，基本上滿足小型物料的自動搬運(yùn)功能。

4 結(jié)語

采用MAC1610運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)小型搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手各軸的參數(shù)輸入和點(diǎn)動控制，通過建立控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)表，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的示教再現(xiàn)功能。該系統(tǒng)操作簡單、成本低、易于維護(hù)和集成，可應(yīng)用于高校自動化實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)和集成，同時(shí)對開發(fā)基于PLC控制的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

[1]代 婷，黃 超，王成志.雙臂吊裝機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（3）：159-162.

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Research of Four axial Carrying Manipulator’s Experimental Device base on PLC Control System

FAN Fang-lei，YU Hong-tao，ZHANG Ke-yi，ZHANG Guo-qing
（Jiangxi Province Engineering Research Center of New Energy Technology and Equipment，East China Unive rsity of Technology，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Based on Dobot arm design principle，main structure dimension is determined and then a four-axis carrying manipulator with PLC control system is developed.MAC1610 motion controller produced by DCCE is selected to control four stepper motors and then fulfill carrying function.Simultaneously，every joint can be debugged respectively by using human-machine interface，and according to the absolute address which is record in advance，the teaching and playback function is realized.The structure of the carrying manipulator is compact，and control system is concise and its interface is friendly.

four-axis carrying manipulator；PLC；human-machine interface；control system；teaching and playback

TP241.2

A

1672-545X（2017）10-0080-04

2017-07-08

江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心開放基金（JXNE2014-04）；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ160581）

范芳蕾（1984-），女，江西撫州人，工程師，碩士，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)故障診斷與測試，機(jī)械設(shè)計(jì)。