基于PLC控制的多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)研究

韓天禹，蘇曉峰，張 津，羅英丞，陸光亮

（西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055）

工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)電一體化的高新技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)效益、改善生活方式起到了一定的作用[1]。現(xiàn)如今，基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并成為衡量企業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志之一[2]。基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人具有編程容易、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、可聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制中。

本系統(tǒng)包含硬件與軟件兩個(gè)部分。硬件部分，基于西門子S7-200和PEC-6600主控制器，采用伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)作為串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，其中，伺服電機(jī)用來控制2軸，步進(jìn)電機(jī)用來控制1、3、4、5、6 軸。 軟件部分，分別采用 Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config編程軟件，進(jìn)行串聯(lián)機(jī)器人控制程序的開發(fā)與調(diào)試。

1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)分為3層，上層為PC機(jī)編程調(diào)試及監(jiān)控層，其主要功能是對(duì)控制PLC進(jìn)行編程與調(diào)試，以控制機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)。另外，在PC機(jī)上安裝工業(yè)組態(tài)軟件，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。中間層為PLC控制層，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)分2種類型的PLC，西門子S7-200 PLC和國(guó)產(chǎn)PEC6600，兩者的控制對(duì)象有所不同，西門子S7-200 PLC作為主站，主要用于多自由機(jī)器人復(fù)位、示教、再現(xiàn)等的整體自動(dòng)控制，PEC6600作為2個(gè)從站，分別用于機(jī)器人1～4軸和5～6軸運(yùn)動(dòng)的單軸手動(dòng)控制。底層為PLC的控制對(duì)象，主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)各軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，另外還包括組成系統(tǒng)的開關(guān)按鈕、指示燈、各軸限位開關(guān)等。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control system network structure

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多自由度串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心設(shè)備主要是主控制器PLC，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體軸運(yùn)動(dòng)的伺服、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。

主控制器PLC：根據(jù)控制要求和經(jīng)濟(jì)性原則，系統(tǒng)選用2種類型的PLC作為主控制器，分別為西門子 S7-200（CPU224XP CN）和國(guó)產(chǎn)大工計(jì)控PLC PEC6600，西門子 S7-200（CPU224XP CN）包含14路數(shù)字量輸入和10路數(shù)字量輸出，其主要用于多自由度機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)位、示教、再現(xiàn)的自動(dòng)控制。國(guó)產(chǎn)大工計(jì)控PLC PEC6600是一款 4軸運(yùn)動(dòng)控制器，通過它輸出的4路高速脈沖可實(shí)現(xiàn)多自由度機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)速度與位置的精確控制。

伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器：根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)，采用伺服和步進(jìn)2種類型的電機(jī)作為多自由度串聯(lián)機(jī)器人軸的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)過程中，考慮到機(jī)器人二軸運(yùn)動(dòng)過程中受到的力矩最大，故采用伺服電機(jī)，其它5軸均采用步進(jìn)電機(jī)。二軸伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)分別為松下MSMD5AZG1U和MADKT1505CA1，其搭配具有流暢的高速響應(yīng)及追蹤性能，且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能耗較低[3]。機(jī)器人其它5軸選用上海四宏電機(jī)公司生產(chǎn)的小型混合式步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)電機(jī)型號(hào)的不同，分別搭配AKS202A與AKS230高性能細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，其具有體積小、性價(jià)比高、控制精準(zhǔn)且無累計(jì)誤差等優(yōu)勢(shì)[4]。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)功能

基于PLC控制的多自由度串聯(lián)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：①系統(tǒng)點(diǎn)動(dòng)控制：可手動(dòng)控制多自由度串聯(lián)機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)；②系統(tǒng)復(fù)位：在系統(tǒng)啟動(dòng)與運(yùn)行過程中能進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位；③系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)記錄與再現(xiàn)：手動(dòng)操作機(jī)器人，系統(tǒng)能夠按步記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并可自動(dòng)再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程；④系統(tǒng)順序控制：根據(jù)不同功能要求，通過編程實(shí)現(xiàn)多自由度串聯(lián)機(jī)器人的順序控制。

3.2 I/O地址分配

根據(jù)多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求，結(jié)合控制PLC的選型，在進(jìn)行系統(tǒng)編程之前，對(duì)主、從站控制PLC進(jìn)行I/O地址分配和定義，如表1所示。主站PLC的輸入包括系統(tǒng)復(fù)位、示教、記錄、再現(xiàn)等，輸出則是系統(tǒng)各輸入狀態(tài)信號(hào)的反饋。從站輸入主要是機(jī)器人單軸的手動(dòng)控制和限位信號(hào)，輸出則是控制軸運(yùn)動(dòng)的脈沖及其方向信號(hào)。

3.3 PLC之間的數(shù)據(jù)通信

編程過程中，首先需要建立主、從站的數(shù)據(jù)通信緩沖區(qū)，用于主從站之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2所示。其中，V4與V14分別為從站1-4軸與5-6軸的數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)，V600與V610分別為主站1-4軸與5-6軸的數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)；V300與V310分別為主站1-4軸與5-6軸的數(shù)據(jù)輸出緩沖區(qū)，V0與V10分別為從站1-4軸與5-6軸的數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)。

表1 PLC控制I/O地址分配表Tab.1 PLC control I/O address assignment

圖2 PLC主從站之間的數(shù)據(jù)通信示意Fig.2 Schematic diagram of data communication between PLC master and slave stations

3.4 程序流程設(shè)計(jì)

根據(jù)多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)功能要求，可知其控制系統(tǒng)程序分為1個(gè)主程序和復(fù)位、示教、再現(xiàn)3個(gè)子程序。主程序主要完成機(jī)器人系統(tǒng)上電初始化、單軸手動(dòng)操作及系統(tǒng)復(fù)位、示教、再現(xiàn)3個(gè)子程序的調(diào)用。

多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。程序執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)先進(jìn)行上電初始化。初始化過程主要完成PLC主站與從站之間的聯(lián)機(jī)通信和參數(shù)設(shè)置。然后判斷系統(tǒng)是否伺服電機(jī)報(bào)警或是急停按鈕被按下，若產(chǎn)生伺服報(bào)警或有急停故障，則轉(zhuǎn)入伺服報(bào)警、急停故障的排查處理。若系統(tǒng)運(yùn)行正常，則進(jìn)入機(jī)器人是否復(fù)位完成的判斷。若機(jī)器人未復(fù)位完成，為了保證運(yùn)行安全，機(jī)器人需要先進(jìn)行復(fù)位，待復(fù)位完成后方可進(jìn)行單軸手動(dòng)、示教、再現(xiàn)等模式操作。

圖3 控制系統(tǒng)主站程序流程Fig.3 Flow chart of control system master station program

多自由度串聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)位子程序流程如圖4所示。按下復(fù)位按鈕，機(jī)器人6軸同時(shí)開始自動(dòng)復(fù)位，復(fù)位時(shí)6軸先向各自負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)各自負(fù)限位時(shí)，6軸再向各自正方向運(yùn)行某一設(shè)定距離，并將此時(shí)各軸的位置作為機(jī)器人的原點(diǎn)位置，然后向主站給出復(fù)位完成信號(hào)。至此，機(jī)器人復(fù)位完成。

圖4 控制系統(tǒng)復(fù)位子程序流程Fig.4 Flow chart of control system multiplexer program

多自由度串聯(lián)機(jī)器人的示教子程序流程如圖5所示。示教模式下先實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人6軸的位置信息及手抓電磁閥的狀態(tài)，然后建立6軸位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)并將該存儲(chǔ)區(qū)清零，當(dāng)每次記錄按鈕被按下時(shí)，將實(shí)時(shí)記錄的機(jī)器人6軸位置信息及手抓電磁閥狀態(tài)存儲(chǔ)到已建立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，以備執(zhí)行再現(xiàn)子程序?qū)崟r(shí)讀取。

圖5 控制系統(tǒng)示教子程序流程Fig.5 Flow chart of control system demonstration subroutine

多自由度串聯(lián)機(jī)器人再現(xiàn)子程序?yàn)槭窘套映绦虻哪娉绦颍佻F(xiàn)子序流程如圖6所示，再現(xiàn)過程首先按組讀取PLC特殊寄存器中的6軸位置數(shù)據(jù)、手抓電磁閥的開閉信息，然后傳送給軸的運(yùn)動(dòng)控制模塊，控制軸以設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，或是控制手抓電磁閥的張開或閉合。當(dāng)機(jī)器人6軸按組再現(xiàn)完成時(shí)，從站PLC向主站PLC發(fā)出再現(xiàn)完成信號(hào)。

圖6 控制系統(tǒng)再現(xiàn)子程序流程Fig.6 Flow chart of control system reproduces subroutine

3.5 控制系統(tǒng)的編程與調(diào)試

在控制系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別基于Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config編程軟件，進(jìn)行多自由度示教機(jī)器人系統(tǒng)S7-200主站和從站PEC6600的編程與調(diào)試。S7-200主站編程和調(diào)試主要是Step7-Micro/WIN SP9環(huán)境下主從站通信參數(shù)、輸入輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的設(shè)置，以及系統(tǒng)復(fù)位、示教、再現(xiàn)及信號(hào)反饋的控制邏輯編程與調(diào)試，主站的數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖區(qū)設(shè)置程序如圖7所示。PEC6600從站的編程和調(diào)試主要是PLC-Config編程環(huán)境下從站控制主程序和復(fù)位、示教、再現(xiàn)3個(gè)子程序的邏輯編程和調(diào)試。PLC-Config編程軟件中提供了豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令，編程時(shí)可直接調(diào)用，大大提高了編程效率，程序中1軸手動(dòng)控制程序如圖8所示。當(dāng)主站和從站編程與調(diào)試成功后，再進(jìn)行主站和從站的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直至聯(lián)調(diào)成功。

圖7 PLC主站輸入緩沖區(qū)設(shè)置程序Fig.7 PLC main station input buffer setting procedures

圖8 1軸手動(dòng)控制程序Fig.8 1-axis manual control program

4 組態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)多自由度示教機(jī)器人系統(tǒng)的可視化監(jiān)控，利用工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王kingview6.55開發(fā)了多自由度示教機(jī)器人的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)王工業(yè)監(jiān)控軟件具有使用方便、運(yùn)行穩(wěn)定、開放性好、易于擴(kuò)展、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)[5]。在組態(tài)王kingview6.55軟件中，先開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的畫面，然后將監(jiān)控畫面中的相關(guān)參數(shù)與Step7-Micro/WIN SP9中的變量進(jìn)行連接，基于組態(tài)王軟件開發(fā)的多 自由度示教機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)如圖9所示。運(yùn)行畫面中集成了機(jī)器人復(fù)位、示教、記錄、再現(xiàn)等自動(dòng)控制和6軸手動(dòng)控制，手抓電磁閥控制，6軸實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示、限位觸發(fā)、故障急停等功能。

圖9 多自由度串聯(lián)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)Fig.9 Multi-degree of freedom serial robot monitoring system

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的作用日益突顯。分別基于西門子S7-200 PLC與PEC6600為主控制器，步進(jìn)、伺服系統(tǒng)為機(jī)器人軸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，搭建了多自由度示教機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)與功能調(diào)試，開發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控。機(jī)器人在運(yùn)行過程中認(rèn)址精確、平穩(wěn)可靠，能按照輸入指令完成相應(yīng)的控制任務(wù)。本系統(tǒng)的研究為多自由度機(jī)器人的控制提供了借鑒和技術(shù)支撐。