基于S7-200控制的動(dòng)車擋風(fēng)玻璃裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳 濤，李艷文

CHEN Tao, LI Yan-wen

（燕山大學(xué) 河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004）

0 引言

裝配機(jī)器人可以不間斷地、不知道累地完成各種各樣艱苦的裝配工序，它不僅大大減輕了工人的疲勞強(qiáng)度，而且提高了生產(chǎn)效率和裝配精度。在許多惡劣的環(huán)境下，從安全和健康考慮是不適合人進(jìn)行工作的，這時(shí)候可以用裝配機(jī)器人來取代人進(jìn)行工作，它能適應(yīng)各式各樣的惡劣環(huán)境。所以對裝配機(jī)器人進(jìn)行研究，開發(fā)出高性能、高精度、高穩(wěn)定性的裝配機(jī)器人是迫在眉睫的課題。

在現(xiàn)階段動(dòng)車組生產(chǎn)線中，擋風(fēng)玻璃的安裝一直是個(gè)頭痛的難題，它的安裝包括了涂底膠、安裝、封膠、清洗四個(gè)過程，安裝比較繁瑣非常耗人、耗力。目前擋風(fēng)玻璃多為定位作業(yè)，天車、人、玻璃吊具一起協(xié)同工作完成裝配，這樣在精度和安全效率方面都存在需要改進(jìn)的問題。首先，天車上升和下降的位置精度不高，施工人員控制起來比較困難。其次，一般車間只會配1～2部天車，這樣裝配時(shí)間長，占用天車的時(shí)間長可能會影響到別的工序的正常進(jìn)行。再次，玻璃安裝的時(shí)候有一個(gè)角度問題，傳統(tǒng)的裝配角度調(diào)節(jié)比較麻煩，用柔性的機(jī)械手腕將會更方便。

圖1是當(dāng)前常用的助力機(jī)械手配合工人完成的前擋風(fēng)玻璃裝配。

圖1 助力機(jī)械手配合工人完成的裝配

1 裝配機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

裝配機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于動(dòng)車體積龐大，在裝配的時(shí)候移動(dòng)動(dòng)車比較困難，所以把整個(gè)裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)成可以移動(dòng)的形式，這樣就不會對動(dòng)車的進(jìn)出和工人的裝配帶來不便。整個(gè)裝配機(jī)器人由定位小車控制柜、短行程直線模組、大臂、小臂、手腕、手爪六個(gè)部分組成。定位小車通過光電位移傳感器來實(shí)現(xiàn)裝配機(jī)器人與動(dòng)車車頭相對位置的定位，小車上有特定的玻璃放置位置，這樣在抓取玻璃的時(shí)候就能得到玻璃相對于手爪的準(zhǔn)確位置，提高運(yùn)動(dòng)學(xué)反解求解的精確性。直線模組完成裝配機(jī)器人在X方向的運(yùn)動(dòng)，通過伺服電機(jī)來完成大臂、小臂、手腕在OYZ平面內(nèi)的手爪位置的定位，手爪繞小臂中心軸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)安裝、涂膠、封膠、清潔四個(gè)工序的切換。

圖2 裝配機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

車頭放置擋風(fēng)玻璃位置的四邊形每個(gè)邊都是曲線，怎樣讓手爪的涂膠膠槍、封膠膠槍、清潔涮沿著曲線運(yùn)動(dòng)是需要解決的問題。如果通過計(jì)算出邊緣的曲線方程然后通過控制來完成手爪的各個(gè)工位沿四周邊緣的曲線運(yùn)動(dòng)，這樣計(jì)算和控制過程比較麻煩。設(shè)計(jì)出了如圖3所示的手爪部分結(jié)構(gòu)，通過氣缸的上下移動(dòng)和彈簧的平衡來達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求。

圖3 多工位手爪三維圖

為了減少末端位置的靜轉(zhuǎn)矩，把四個(gè)伺服電機(jī)和減速器放在機(jī)器人的前端，然后通過一系列齒輪傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)來達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求，手腕和手爪部分的齒輪傳動(dòng)如圖4所示。

圖4 手爪手腕齒輪傳動(dòng)

2 裝配機(jī)器人位置正反解及仿真驗(yàn)證

在進(jìn)行機(jī)器人正反解求解前需要把三維模型抽象成幾何模型，為了求解出準(zhǔn)確的正反解數(shù)據(jù)，直接代入了各個(gè)連桿的長度，抽象出來的初始位置裝配機(jī)器人坐標(biāo)系如圖5所示。

圖5 初始位置坐標(biāo)系

2.1 位置正解

位置正解就是已知各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，求出機(jī)器人末端手爪相對于參考坐標(biāo)系能到達(dá)的位置，避免了復(fù)雜的D-H坐標(biāo)法，直接用坐標(biāo)系相對于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移變換求出位置正解。

當(dāng)單軸機(jī)器人移動(dòng)S，大臂繞機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)θ1，小臂繞大臂旋轉(zhuǎn)θ2，手腕繞小臂旋轉(zhuǎn)θ3，手爪繞手腕Y軸旋轉(zhuǎn)θ4后，新的坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)系

用“從左向右”原則進(jìn)行坐標(biāo)變換，各個(gè)連桿坐標(biāo)系的關(guān)系可以表示為：

計(jì)算可得：

其中：

2.2 位置反解

位置反解即由輸出量坐標(biāo)系{5}相對于坐標(biāo)系{0}的位置，求輸入量S、θ1、θ2、θ3、θ4。裝配機(jī)器人的手爪旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要是為多工位服務(wù)的，當(dāng)θ4=0的時(shí)候是進(jìn)行玻璃抓取安裝和涂底膠工作的，當(dāng)θ4=90°的時(shí)候是進(jìn)行封膠工作的，當(dāng)θ4=180°的時(shí)候是進(jìn)行清潔工作的。在運(yùn)動(dòng)學(xué)反解分析的時(shí)候本文是對默認(rèn)的θ4=0這個(gè)狀態(tài)進(jìn)行的反解分析，此時(shí)裝配機(jī)器人進(jìn)行涂膠和安裝工作，要進(jìn)行其他工位的工作只需變化θ4即可。這個(gè)時(shí)候坐標(biāo)系5相對坐標(biāo)系4的位置是固定不變的，即坐標(biāo)系5相對于坐標(biāo)系4的位置為：

兩邊的矩陣對應(yīng)項(xiàng)相等，可以計(jì)算出：

2.3 位置反解在該裝配機(jī)器人中的應(yīng)用

裝配機(jī)器人要完成裝配需要經(jīng)過四個(gè)過程，這些過程需要經(jīng)過一系列關(guān)鍵位置點(diǎn)，這些關(guān)鍵位置點(diǎn)分別為抓取玻璃位置點(diǎn)、防干涉安裝玻璃位置點(diǎn)、玻璃安裝位置點(diǎn)、第一涂膠點(diǎn)、第二涂膠點(diǎn)。在這些關(guān)鍵位置點(diǎn)坐標(biāo)系{4}相對于坐標(biāo)系{0}的位置是可以通過旋轉(zhuǎn)平移變換求出來的，分別為：

得到了矩陣方程就可以求出各個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)的反解如表1所示。

表1 各個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)反解

2.4 在Adams環(huán)境中對運(yùn)動(dòng)反解進(jìn)行驗(yàn)證

在求出各個(gè)關(guān)鍵位置每個(gè)關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)過的角度后，要想讓初始位置到關(guān)鍵位置點(diǎn)1，只需要讓直線模組沿X負(fù)方向運(yùn)動(dòng)175mm，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)75.43°，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)26.92°，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)12.35°，其他位置點(diǎn)也類似。如果在每個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)之間進(jìn)行一次五次多項(xiàng)式插值，這樣可以求出整個(gè)裝配過程每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。把驅(qū)動(dòng)函數(shù)代入到各個(gè)關(guān)節(jié)中去，觀察末端手爪的位置是否經(jīng)過了這些特定位置點(diǎn)就可以驗(yàn)證反解的準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)仿真的直觀性，在手腕處建立一個(gè)Marker點(diǎn)，通過Marker點(diǎn)在空間的位置來驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的準(zhǔn)確性，此Marker點(diǎn)在X方向的位移隨時(shí)間的變化應(yīng)該過點(diǎn)(0，-475)，(5，550)，(10，550)，(15，150)，(20，150)，(25，550)，(30，-475)，(35，-300)，(36， -300)，(41，200)，(43，200)，(44，200)，(46，200)，(51，550)，(56，550)，(61，150)，(66，150)，(71，550)，(73，550)，(78，550)，(83，150)，(88，150)，(93，550)，(98，-475)。如果仿真結(jié)果經(jīng)過以上關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)則說明上述求得的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是準(zhǔn)確的。

此Marker點(diǎn)在X方向隨時(shí)間的位移變化如圖7所示。

圖7 Marker點(diǎn)在X方向的位移

由圖可知此Marker點(diǎn)在X方向都經(jīng)過了各個(gè)時(shí)間段的關(guān)鍵點(diǎn)。同理可得Marker點(diǎn)在Y方向和Z方向也經(jīng)過了各個(gè)時(shí)間段的關(guān)鍵點(diǎn)，從而驗(yàn)證了反解的準(zhǔn)確性。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)用西門子S7-200PLC作下位機(jī)，PLC通過脈沖信號控制伺服電機(jī)，需要把各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角位移變量通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號，該裝配機(jī)器人中用到的是17位增量型編碼器，它表示在電子齒輪比設(shè)為1的時(shí)候電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要217個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)N與電子齒輪比的關(guān)系式為：

在進(jìn)行電子齒輪比設(shè)置后，可以確定各個(gè)關(guān)節(jié)在各個(gè)時(shí)間段需要的脈沖數(shù)和脈沖頻率。

Smart700觸摸屏與S7-200PLC只支持PPI通信協(xié)議，即一個(gè)觸摸屏只能直接控制一個(gè)PLC，設(shè)想用PLC1與觸摸屏串聯(lián)，PLC1的輸出作為其余三個(gè)PLC的輸出，這樣就可以在一個(gè)掃描周期內(nèi)完成觸摸屏對多個(gè)PLC的同時(shí)控制，即可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的同步控制。由于西門子S7-200自帶高速脈沖輸出口，這樣在進(jìn)行伺服定位控制時(shí)就不需要外接定位模塊，大大降低了控制成本。

在運(yùn)動(dòng)分析中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖周期不能滿足控制要求，本程序調(diào)用S7-200自帶的MAP庫函數(shù)，它能使高速脈沖輸出端Q0.0和Q0.1產(chǎn)生滿足控制需要的脈沖信號，用MAP庫函數(shù)進(jìn)行伺服電機(jī)速度和位置的控制，用定時(shí)器進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)的定時(shí)控制，用順序控制來進(jìn)行每段時(shí)間脈沖信號的跳轉(zhuǎn)。

PLC1的輸入輸出信號受觸摸屏和外界開關(guān)量控制，在程序中把觸摸屏的啟動(dòng)、停止、復(fù)位的虛擬按鈕與啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕開關(guān)并聯(lián)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏和外部按鈕開關(guān)同時(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行，由于觸摸屏信號不能直接作PLC的輸入信號，需要輔助繼電器來完成，參考程序如圖8所示。

圖8 摸屏信號并聯(lián)外部開關(guān)信號

在點(diǎn)動(dòng)程序中把正向點(diǎn)動(dòng)的常閉開關(guān)接通到負(fù)向點(diǎn)動(dòng)程序中，這樣形成了一個(gè)互鎖回路，防止正反轉(zhuǎn)電路的同時(shí)進(jìn)行，點(diǎn)動(dòng)互鎖程序如圖9所示。

圖9 點(diǎn)動(dòng)互鎖程序

PLC2中用MAP庫程序控制伺服的脈沖輸出，用順序控制器進(jìn)行不同時(shí)間段不同速度的有序控制，用定時(shí)器進(jìn)行停止時(shí)間的控制，在不同的階段只需要把Q0_0_MoveRelative中的脈沖數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行變化即可，不同階段的脈沖數(shù)和脈沖頻率可以一一算出，PLC在一個(gè)順序控制中參考程序如圖10所示。

圖10 一個(gè)順序控制的參考程序

一個(gè)順序控制中程序都是以SCR開始，SCRT跳轉(zhuǎn)，SCRE結(jié)束。

3.2 HMI程序設(shè)計(jì)

HMI觸摸屏采用Smart700觸摸屏，它能實(shí)現(xiàn)與S7-200PLC的無縫連接，通過RS-485串口通信將機(jī)械手系統(tǒng)狀態(tài)和控制信息傳送到觸摸屏中，通過觸摸屏可以直觀的查看機(jī)器人的相關(guān)工作狀態(tài)，并可以在觸摸屏中設(shè)置相關(guān)的機(jī)器人的操作命令按鈕，操作人員通過操作觸摸屏可以將操作命令傳送到PLC中，從而控制裝配機(jī)器人的動(dòng)作。HMI為用戶和系統(tǒng)提供了良好的交互，使操作人員能直觀地操作和監(jiān)測內(nèi)部系統(tǒng)。

本裝配機(jī)器人主要是完成控制界面的組態(tài)，然后把各個(gè)開關(guān)地址與對應(yīng)的PLC程序地址連接，控制界面包括整個(gè)機(jī)器人的啟動(dòng)、停止、復(fù)位和各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的點(diǎn)動(dòng)，組態(tài)后的畫面如圖11所示。

觸摸屏中的所有開關(guān)都是虛擬的，這樣就大大減少了硬件連接中的元器件，但是它不能直接作為PLC的輸出信號，這時(shí)需要用到輔助繼電器，通過對輔助繼電器的置位和復(fù)位來完成觸摸屏對PLC的控制，每個(gè)開關(guān)按鈕都相當(dāng)于是一個(gè)變量，變量為1的時(shí)候接通，變量為0的時(shí)候斷開。各個(gè)開關(guān)變量與S7-200外部鏈接的地址如圖12所示。

最后對PLC和HMI設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要是波特率的設(shè)置，使PLC對應(yīng)端口的波特率和HMI設(shè)備的波特率一樣，完成PLC和HMI設(shè)備的通訊。

圖11 控制界面組態(tài)

圖12 開關(guān)變量地址鏈接

4 結(jié)束語

本文提出了一種方便、快捷、智能化的裝配機(jī)器人，用于完成裝配精度高、裝配過程復(fù)雜、重復(fù)定位精準(zhǔn)的裝配任務(wù)；給出了正反解表達(dá)式，并依據(jù)建立的三維模型尺寸計(jì)算出了各個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)的反解，并用ADAMS仿真軟件驗(yàn)證了反解的準(zhǔn)確性；以Smart700觸摸屏為上位機(jī)，S7-200為下位機(jī)完成了控制系統(tǒng)的搭建；本文對工業(yè)機(jī)器人從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)搭建整個(gè)設(shè)計(jì)過程有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 董欣勝,張傳思,李新.裝配機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].組合機(jī)床與加工技術(shù),2007(8):22-26.

[2] 楊欣慧.機(jī)器人在汽車擋風(fēng)玻璃自動(dòng)涂膠系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(11):220-249.

[3] 魏京利,齊立哲,孫篤玲.基于3D視覺的動(dòng)車組車窗機(jī)器人玻璃安裝與涂膠系統(tǒng)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012(06):41-43,48.

[4] 王俊.移動(dòng)機(jī)器人的定位方法研究[D].沈陽:東北學(xué)院,2010:19-31.

[5] 丁佳洛,戰(zhàn)強(qiáng).基于ADAMS的串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008(01):9-11.

[6] 梁新平.基于PLC的自動(dòng)線機(jī)械手位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,(07):86-91.