基于PLC的三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：基于三軸機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用及運(yùn)行控制要求，采用以PLC為核心控制器，將伺服電機(jī)、傳感器、觸摸屏、交流伺服裝置、工控計(jì)算機(jī)及絲桿工作臺(tái)等組合后，設(shè)計(jì)出一種三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并用西門子組態(tài)上位機(jī)軟件WinCC完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過編寫程序下載至系統(tǒng)平臺(tái)后可完成整個(gè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂不同運(yùn)行軌跡的操作。空間軌跡控制中利用工控計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，將位置數(shù)據(jù)傳送到可編程控制器中，控制PLC的脈沖頻率達(dá)到伺服電機(jī)按照設(shè)定的位置進(jìn)行精準(zhǔn)位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸機(jī)械臂系統(tǒng)的軌跡控制?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，該文設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)有非常高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；伺服驅(qū)動(dòng)；PLC；運(yùn)動(dòng)控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP241" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0054-04

Abstract： Based on the extensive application of the three-axis manipulator in industrial production and its operation control requirements， a three-axis motion control system is designed by using PLC as the core controller， which combines servo motor， sensor， touch screen， AC servo device， industrial control computer and screw worktable. Siemens configuration host computer software WinCC completes the real-time monitoring of the system. The precise positioning of the whole system can be completed after the program is downloaded to the system platform， and the operation of different running trajectories of the manipulator can be realized. In the space trajectory control， the powerful computing ability of the industrial control computer is used to transmit the position data to the programmable controller， and the pulse frequency of the PLC is controlled to achieve the precise displacement of the servo motor according to the set position， and the trajectory control of the three-axis manipulator system is realized. In the actual production， the control system designed in this paper has a very value of high application.

Keywords： manipulator; servo drive; PLC; motion control; real-time monitoring

伴隨智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在高精度生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如焊接、工業(yè)搬運(yùn)、涂膠等環(huán)節(jié)。其中，以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象的三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文以KV-8000為控制器設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的三軸伺服控制系統(tǒng)，組態(tài)西門子上位機(jī)軟件WinCC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作簡(jiǎn)捷，參數(shù)修改方便。三軸機(jī)械臂可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位、牢固抓取、移動(dòng)，極大提高了自動(dòng)生產(chǎn)線的作業(yè)能力和效率，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)及自動(dòng)化技術(shù)的大力發(fā)展。

1" 機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)

1.1" 三軸機(jī)械臂平臺(tái)結(jié)構(gòu)

三軸機(jī)械臂主要由X、Y、Z軸移動(dòng)平臺(tái)、傳感器、伺服電機(jī)、可編程控制器和工控計(jì)算機(jī)等組成。其中，三軸模組分別用伺服電機(jī)進(jìn)行精確定位控制機(jī)械臂的位置移動(dòng)。P1、P2、P3為X、Y、Z軸移動(dòng)平臺(tái)上的傳感器，P4為機(jī)械臂的夾持裝置，可以對(duì)工件準(zhǔn)確抓取完成搬運(yùn)動(dòng)作。三軸機(jī)械臂主要通過傳感器采集信息，用PLC連接伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，可編程控制器是機(jī)械臂的核心，將編譯好的程序?qū)隤LC，在同一時(shí)間周期循環(huán)重復(fù)性動(dòng)作實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位、自動(dòng)抓取、穩(wěn)定位移等[1]，如圖1所示。

1.2" 硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)和傳感器等部分組成。外部信號(hào)通過傳感器監(jiān)測(cè)后輸入到PLC內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，再經(jīng)過PLC輸出單元向X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器和氣缸裝置及電磁閥發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手部裝置中吸盤或夾爪完成指定的動(dòng)作。各組成部分的功能如下。

1）伺服電機(jī)：本設(shè)計(jì)選用匯川SV660P系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器。功率范圍為0.4～7.5 kW，支持Modbus、CANlink等通信協(xié)議。具有位置、轉(zhuǎn)矩、速度和全閉環(huán)控制4種控制方式，提供自適應(yīng)調(diào)節(jié)剛性表設(shè)置、慣量辨識(shí)及振動(dòng)抑制等功能，運(yùn)行安靜平穩(wěn)，定位控制更加精確，能滿足控制系統(tǒng)的要求。位置指令通過H05.05設(shè)定，H05.05數(shù)值的正負(fù)決定了電機(jī)轉(zhuǎn)速的正負(fù)。電子齒輪比設(shè)定范圍為

2）PLC控制器：基恩士公司的KV-8000系列可編程控制器具有16點(diǎn)輸入及16點(diǎn)輸出端口，配置1個(gè)KV-XH16EC運(yùn)動(dòng)控制模塊后最大可控制5個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，通過KV-8000型PLC控制3個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)X軸、Y軸、Z軸上的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。PLC組態(tài)如圖4所示。

3）觸摸屏：控制系統(tǒng)選擇威綸通MT8102IE觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。觸摸屏在系統(tǒng)平臺(tái)中有著非常重要的作用，包含HMI硬件組態(tài)和畫面組態(tài)軟件兩部分。

4）傳感器：將光電傳感器放至機(jī)械臂平臺(tái)的X、Y、Z軸處原點(diǎn)和左右極限處，可以有效控制三軸模組的運(yùn)動(dòng)情況。

5）電磁閥：用于控制機(jī)械臂手部裝置的抓取和松開等動(dòng)作。

2" 機(jī)械臂的控制原理

三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、動(dòng)力源提供、伺服電機(jī)、傳感與檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制單元組成。本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)平臺(tái)，通過工控計(jì)算機(jī)中西門子WinCC組態(tài)軟件與可編程控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，設(shè)定位移及速度等參數(shù)確定PLC輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按照設(shè)定的速度完成絲桿運(yùn)動(dòng)[3]。系統(tǒng)有手動(dòng)控制、點(diǎn)動(dòng)控制、自動(dòng)控制3種模式。手動(dòng)控制可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)定速度，操作者通過按鈕操作軸系運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定的空間位置。點(diǎn)動(dòng)模式可以通過觸摸屏輸入空間坐標(biāo)點(diǎn)的值和各個(gè)軸系的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確定位。自動(dòng)模式下可將程序下載至PLC中，完成機(jī)械臂重復(fù)運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)通過工控機(jī)編寫程序計(jì)算出各軸的運(yùn)動(dòng)速度，動(dòng)態(tài)傳輸至組態(tài)軟件中，實(shí)時(shí)修改PLC的高速輸出端發(fā)出的脈沖頻率，達(dá)到預(yù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3" 機(jī)械臂控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

通過基恩士KVSTUDIOVer-11G編程軟件，編寫程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制過程。程序框架采用調(diào)用子程序方式，分別編寫了報(bào)警及復(fù)位、初始化、氣缸控制、伺服控制、真空控制、啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、手動(dòng)自動(dòng)切換和信號(hào)交互等子程序，如圖5所示。

在機(jī)械臂運(yùn)行前，需要調(diào)用初始化程序?qū)?nèi)部寄存器及外部設(shè)備進(jìn)行歸零操作，通過使用指令控制使伺服電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回到機(jī)械原點(diǎn)的操作?；亓悴僮魍瓿梢院螅筛鶕?jù)不同的需求響應(yīng)請(qǐng)求啟動(dòng)、停止、氣缸控制和伺服控制等功能。主程序中還設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制切換功能模塊，其中自動(dòng)控制模塊中可以完成不同軌跡的選擇。

在完成不同軌跡的選擇之后，便可以對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行操作，完成機(jī)械臂系統(tǒng)在不同場(chǎng)景中的使用。下面對(duì)不同子程序?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行分別闡述。

3.1" 尋零子程序

利用PLC指令控制伺服電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回原點(diǎn)動(dòng)作，伺服電機(jī)上電后不執(zhí)行尋零動(dòng)作，以掉電前步進(jìn)電機(jī)所在的位置作為原點(diǎn)位，通過KV-XH16EC運(yùn)動(dòng)控制模塊，設(shè)置匯川伺服電機(jī)H05.30原點(diǎn)復(fù)歸使能控制、H05.31原點(diǎn)復(fù)歸模式、H05.36機(jī)械原點(diǎn)偏移量等參數(shù)，使伺服電機(jī)按照預(yù)先定義好的位置尋找參考點(diǎn)。尋零子程序如圖6所示。

3.2" 報(bào)警及復(fù)位子程序

當(dāng)機(jī)械臂超出軸距范圍或物料運(yùn)輸過程中發(fā)生碰撞時(shí)，要及時(shí)切斷伺服電機(jī)的電源使機(jī)臺(tái)停止運(yùn)行，并通過PLC程序控制指示燈閃爍及蜂鳴器報(bào)警提示操作人員。待操作人員解決故障及危險(xiǎn)后，可對(duì)機(jī)械臂控制臺(tái)進(jìn)行初始化復(fù)位操作，使機(jī)械臂控制系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.3" 伺服控制子程序

通過UREAD指令控制伺服電機(jī)的軸極限原點(diǎn)讀取，捕獲軸系輸入輸出狀態(tài)及硬件輸入。PLC中DM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位地址，如DM20012.0標(biāo)記軸系正限位、DM20012.1標(biāo)記軸系負(fù)限位、DM20012.2標(biāo)記軸系原點(diǎn)。通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制軸系使能、報(bào)警及錯(cuò)誤清除、狀態(tài)讀取、軸系定位地址的寫入、位置偏差、位置標(biāo)志等各種伺服動(dòng)作完成監(jiān)控操作。

3.4" 自動(dòng)控制-程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制中軌跡一要求啟動(dòng)按鈕按下后，機(jī)械臂在3個(gè)軸上分別移動(dòng)，最終移動(dòng)至供料區(qū)平臺(tái)處，機(jī)械臂手部裝置抓取物料移動(dòng)至放料區(qū)指定位置后放下物料[4]。抓取物料和放下物料的位置需要事先通過機(jī)械手的移動(dòng)來獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中假設(shè)抓取物料的坐標(biāo)分別為8 860，8 656，9 210，放置物料的坐標(biāo)分別定位為-12 140，11 802，12 134。上述位置均為相對(duì)于軸系原點(diǎn)的絕對(duì)位置，將數(shù)據(jù)寫入PLC程序中，通過觸摸屏可以進(jìn)行取料、放料位置寫入及調(diào)試工作。機(jī)械臂從取料區(qū)至放料區(qū)多次重復(fù)移動(dòng)，直至物料在放料區(qū)按照存儲(chǔ)要求存放。軌跡一的程序流程圖如圖7所示。

軌跡二要求將物料按照?qǐng)A形形狀進(jìn)行存放，軌跡三要求物料在存放區(qū)按照自定義圖形進(jìn)行存放。其控制流程和自動(dòng)控制方式與軌跡一程序類似，從取料區(qū)將物料抓取放置到放料區(qū)，物料放置位置發(fā)生變化。程序編寫時(shí)只需設(shè)置和修改物料的坐標(biāo)參數(shù)即可。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行軌跡發(fā)生變化時(shí)只需要改變自動(dòng)控制方式下的程序，并通過觸摸屏程序?qū)\(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行修改和設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。

4" 上位機(jī)監(jiān)控界面

組態(tài)上位機(jī)參數(shù)設(shè)置監(jiān)控畫面如圖8所示，可以設(shè)置機(jī)械臂的軸系使能、取料位置、放料位置、移動(dòng)速率、精度選擇、報(bào)警界面、I/O監(jiān)控和功能選擇的軌跡選擇等，方便操作人員及時(shí)查看。

5" 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要解決工業(yè)自動(dòng)化中機(jī)械手的精確控制問題，設(shè)計(jì)了基于PLC的三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)。通過對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在不同控制方式下搬運(yùn)、抓取、位移等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，完成將物料從供料區(qū)運(yùn)送到放料區(qū)并按照一定形狀進(jìn)行自定義儲(chǔ)存的要求。程序按照模塊化設(shè)計(jì)思路編寫，通過改變自動(dòng)控制程序或修改上位機(jī)監(jiān)控界面參數(shù)，完成利用三軸機(jī)械臂進(jìn)行物料搬運(yùn)的工作，很好地詮釋了智能制造在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉燕，鄒萍，管文娟.基于PLC的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2016，38（7）：21-24，36.

[2] 張光臨，孫守林，王琳，等.基于PLC和組態(tài)王對(duì)三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2018，40（11）：93-96.

[3] 姜帥，劉瀛，胡俊宏，等.基于PLC的直角坐標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2021（2）：17-20.

[4] 吳軍，鄭小軍.基于PLC的坐標(biāo)式機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2017（22）：36-37.