基于PLC和觸摸屏的SCARA機器人控制系統設計

胡洪鈞

（寧德師范學院 信息與機電工程學院，寧德 352100）

0 引言

SCARA機器人具有3個旋轉關節和1個移動關節，旋轉關節軸線相互平行，在平面內進行定位和定向，移動關節用于完成末端執行器在垂直于平面的運動[1]。該機器人大量用于裝配印刷電路板和電子零部件，可以伸進有限空間中作業然后收回，適合于搬動和取放物件。圖1所示為實驗室閑置的SCARA機器人的外觀圖，由于年久失修，該機器人控制器基本報廢，因此需要對機器人控制系統進行改造，使得機器人恢復基本功能。SCARA機器人控制器大多采用專用控制器或“PC機+運動控制卡”[2]，其優點在于功能模塊集成程度高，程序語言嚴謹，但是這種控制器開放性較差，而且價格偏高。

目前PLC與觸摸屏技術作為設備控制及人機交互的方法被廣泛應用[3～6]，并且隨著PLC技術的發展和功能模塊的完善，PLC已經基本具備了SCARA機器人所需要的所有功能[7～9]，加上PLC擴展性強，程序維護方便，因此項目使用PLC和觸摸屏來開發該SCARA機器人控制系統，不但可以節省系統開發的成本，而且應用前景廣闊。

1 硬件系統設計

根據SCARA機器人的結構組成和基本功能，首先確定硬件系統設計方案；然后對系統硬件進行選型，主要包括觸摸屏、PLC、伺服驅動器的選擇；最后正確連接系統各硬件，保證硬件系統功能完整。

圖1 SCARA機器人

1.1 硬件系統工作原理

機器人的控制系統結構如圖2所示，由一臺PC機、一片西門子smart panel系列觸摸屏和兩臺西門子S7-200系列PLC組成。其中PC機作為主控系統，通過PLC配套的USB-PPI電纜與PLC#1和PLC#2通訊，主要負責控制程序的編寫與傳輸，并且將Wincc fl exible組態好的機器人控制界面通過以太網傳送到觸摸屏。作為人機交互界面的觸摸屏，通過MPI電纜與PLC#1通訊，將機器人實時操控指令傳送給下位機PLC#1和PLC#2。控制系統主要任務是控制機器人4個關節伺服電機協調轉動，完成程序設定功能，而每臺S7-200系列PLC可同時控制兩臺伺服電機，因此采用兩臺PLC即可實現機器人的運動控制。電機伺服驅動器是由其他廠家定制而成，需要通過配套的解碼器對伺服電機編碼信號進行解碼才能實時獲取電機的轉角和轉速信號。

圖2 控制系統工作原理圖

1.2 系統硬件組成

系統HMI控制面板采用西門子smart 1000IE觸摸屏（1個以太網接口，1個RS-485通訊接口），以太網接口與PC機的RJ45接口通過網線連接，將PC機上由Wincc flexible組態的SCARA機器人控制界面傳輸給觸摸屏。下位機PLC#1和PLC#2中央處理單元均采用CPU224XP（14個DI口，10個DO口，2個RS-485通訊口），PC機上的控制程序由CPU224XP的通訊口0載入到PLC#1中。PLC#1的通訊口1與觸摸屏RS-485通訊口通過MPI電纜連接[10]，將來自人機界面的操控指令傳送給PLC#1。在運動控制過程中PLC#2的通訊口0與PLC#1的通訊口0通過PPI纜線進行實時通訊。機器人關節伺服電機驅動裝置采用H015ADN驅動器，需配套HSN5X解碼器才能正常工作。

2 控制系統軟件設計

機器人軟件系統的設計是尤為關鍵的一環，軟件系統和硬件系統相互配合才能實現機器人的各項功能。

2.1 系統功能分析

所設計的機器人控制系統應該滿足以下四點要求：

1）自由實現對機器人的4個運動軸分別單獨操控；

2）控制機器人四軸協調運動完成自動定點搬運作業；

3）人機界面設計良好，方便各項操作和監控；

4）系統穩定性、可靠性、安全性高。

根據系統硬件組成和預設功能，采用梯形圖法編寫系統控制程序[11]，主要包括機器人運動控制程序、硬件通訊程序、觸摸屏組態程序，在對這些程序進行仿真校驗之后，把它們傳送到PLC和觸摸屏中。圖3所示為SCARA機器人各機械臂運動控制的開關信號與PLC的I/O口對應地址關系。

圖3 PLC控制開關信號

在定點搬運作業中，機器人末端夾抓的水平位置（X、Y坐標）由大臂和小臂決定；升降臂控制夾抓豎直高度（Z坐標）。當移動到目標位置時，夾爪閉合抓起目標物，然后移至目的地放下，循環執行此動作命令，便可重復上述作業，整個搬運作業流程如圖4所示。

圖4 機器人定點搬運作業流程圖

2.2 人機界面設計

在SCARA機器人系統的軟件結構中，人機交互界面的設計采用西門子Wincc flexible組態軟件，該軟件可以構建多種設備的組態環境，不需要通過專業的編輯代碼重新開發新的控制系統，設計簡便、性能穩定，適合于組態用戶界面來操作和監視機器與設備。首先在PC機上應用Wincc flexible組態軟件搭建機器人控制界面[12]，主要包含系統初始化、參數設置、手動控制、自動控制、狀態監控和報警記錄六大功能模塊；然后通過以太網通信把組態好的控制界面下載到Smart1000IE觸摸屏中，就此完成了人機界面的設計，如圖5所示。

圖5 SCARA機器人系統人機界面

初始化模塊負責機器人整個控制系統的啟動，將所有程序初始化，并檢測各個模塊是否正常，如果有的模塊無法正常工作，會給予相應的警示并對問題故障模塊進行顯示。

參數設置模塊實現機器人的參數控制，在該功能模塊中可以對機器人各軸的運行速度、位置等可調參數進行設定并且可以管理與設置I/O系統。

在手動控制模塊中，點擊相應的操作按鈕便可分別對機器人4個關節上的伺服電機單獨控制，實現各軸的自由運動。

自動控制模塊中設定了定點搬運功能，當按下“模擬搬運開始”按鈕，機器人便立即啟動，自動來回搬運物體，同時可監視各軸運動過程中的伺服狀態。

狀態監控模塊負責監控機器人的工作狀態，實時顯示機器人各軸當前運行速度、位置等參數值。

報警記錄模塊用于儲存警告/錯誤事件的名稱和發生時間，以供隨時調用查看。

3 機器人系統調試

在硬件系統和軟件系統設計完成的基礎上，需要對整個機器人系統進行調試，發現并排除問題，確保機器人各項功能順利實現。首先檢測硬件系統的搭建情況，主要包括對PLC、伺服驅動器、觸摸屏和解碼器等各設備工作性能以及它們之間的通訊狀態的檢測，排除硬件系統故障，圖6所示是機器人的現場調試圖。完成上述檢測工作以后，對以下系統各項功能進行調試。

1）手動控制模式下，依次點擊人機界面中各軸控制按鈕，觀察機器人關節運動狀態；

2）自動控制模式下，點擊“模擬搬運開始”按鈕，觀察系統運行狀態，判斷機器人是否按程序設定的搬運作業流程執行任務；

3）打開狀態監控畫面，觀察機器人各項運動參數是否正常顯示，參數值是否正確；

4）調用報警記錄，查詢歷史故障發生的原因和時間。

如果檢測到某項功能無法實現或者運行不正常，分析其原因并返回到PC機上檢查、修正運動控制程序、通訊程序或組態程序。經過多次反復調試，系統最終實現了各項預期功能，運行情況良好。

圖6 SCARA機器人現場調試

4 結論

文中設計的SCARA機器人控制系統由上位機和下位機兩部分組成，上位機負責向下位機傳輸操控指令；下位機完成機器人的實時運動控制。系統采用觸摸屏作為人機交互界面，操控機器人運動，實現了機器人單軸自由控制、定點搬運和系統監控等主要功能。在實際的應用中證明該系統可靠穩定，其中硬件的選擇和人機界面的設計對其他類似系統具有普遍的借鑒意義。