基于PLC的工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)開發(fā)

童玉林+馬金玉+吳偉彪+鮑必輝

摘 要：提出了一種利用基于信捷XCM-32T-E運(yùn)動(dòng)型可編程控制器實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的示教與再現(xiàn)功能的設(shè)計(jì)方法，通過控制工業(yè)機(jī)器人4個(gè)自由度的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)、上升、下降、伸縮、夾緊、松開等功能，并根據(jù)位置記錄、原點(diǎn)回歸、示教再現(xiàn)等PLC程序完成示教，采用觸摸屏作為輸入調(diào)試設(shè)備。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能滿足鍛造、搬運(yùn)等生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)潔、更新方便，界面友好。

關(guān)鍵詞：PLC；工業(yè)機(jī)器人；觸摸屏；機(jī)械系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.003

目前，示教再現(xiàn)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車等機(jī)械制造行業(yè)。示教與再現(xiàn)分別是指操作者預(yù)先示范運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)機(jī)器人記憶示范過程中的程序、位置和相關(guān)信息，然后按照再現(xiàn)指令，逐條取出并解析，以控制機(jī)器人重復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡，并將運(yùn)動(dòng)精度控制在一定的范圍內(nèi)，如此完成所需動(dòng)作。本文以面向鍛造行業(yè)的工業(yè)機(jī)器人為控制對(duì)象，在示教過程中利用伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置傳感器采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過控制器計(jì)算處理，建立新動(dòng)作數(shù)據(jù)表，以控制示教動(dòng)作。利用新建的動(dòng)作數(shù)據(jù)作為輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并把實(shí)時(shí)采樣的傳感器數(shù)據(jù)與運(yùn)算所得到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)控制精度，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的再現(xiàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)鍛造加工所需實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)范圍，工業(yè)機(jī)器人由機(jī)身、機(jī)械臂、手爪和PLC控制部分等組成，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC控制，設(shè)置有4個(gè)自由度，分別實(shí)現(xiàn)手臂的左右擺動(dòng)、機(jī)身的左右旋轉(zhuǎn)、手抓臂伸縮和抓取工件等動(dòng)作，以準(zhǔn)確地抓取工件，并送到指定的工位。

利用Pro/E wildfire 5.0完成工業(yè)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)裝配、干涉檢測(cè)，并利用其仿真功能，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度方面的薄弱環(huán)節(jié)，然后加強(qiáng)改進(jìn)，最終得到工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，如圖1（a）所示。

機(jī)器人的計(jì)算機(jī)CAE過程：利用Pro/E wildfire 4.0完成造型后，導(dǎo)入到UG NX中完成NC仿真加工，生成NC程序，并利用數(shù)控加工中心完成數(shù)控加工。裝配制造所得的零件，得到機(jī)器人機(jī)械實(shí)物，如圖1（b）所示。

（a）機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型 （b）機(jī)器人照片

圖1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)

2 工業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)組成如圖2所示。控制核心采用信捷XCM-32T-E運(yùn)動(dòng)型可編程控制器，支持4路高

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速脈沖，1路AB相計(jì)數(shù)T型輸出，并支持圓弧插補(bǔ)、兩軸直線等指令，可實(shí)現(xiàn)追蹤控制功能。這些功能能夠讓工業(yè)機(jī)器人順利完成路徑。該工業(yè)機(jī)器人有8個(gè)輸出口Y0～Y7，每個(gè)伺服電機(jī)設(shè)置有2個(gè)限位開關(guān)傳感器。手爪伺服電機(jī)有1個(gè)抓緊傳感器，共7個(gè)傳感器，構(gòu)成7個(gè)輸入口X0～X7。

工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)運(yùn)行和示教中由觸摸屏上的按鈕M來控制進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、停止、清零和示教，所以在I/O表中，只有啟動(dòng)和急停進(jìn)入X，再經(jīng)由Y輸出，其地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

輸出信號(hào) 序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

PLC輸出 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010

信號(hào)名稱 小臂脈沖輸出信號(hào) 中臂脈沖輸出信號(hào) 底座脈沖輸出信號(hào) 手抓脈沖輸出信號(hào) 小臂脈沖輸出方向 中臂脈

沖輸出

方向信號(hào) 底座脈

沖輸出

方向信號(hào) 手抓脈

沖輸出

方向信號(hào) 手抓開合輸出信號(hào)

控制柜由以PLC為中心的控制電路組成，由觸摸屏代替按鈕，對(duì)PLC中的程序進(jìn)行控制，再由PLC發(fā)出信號(hào)傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)行的目的。分別從PLC的Y0、Y1、Y2、Y3和Y4、Y5、Y6、Y7接出，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)伺服放大器的脈沖輸出端口和脈沖方向端口，使PLC可以控制工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)距離（伺服電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)）與工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置（伺服電機(jī)的脈沖方向）。為了確保電路的安全，需設(shè)置短路保護(hù)、過載保護(hù)。采用由伺服驅(qū)動(dòng)器控制的伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行，由于控制的是抓取輕便的工件，所以采用三菱HF-KN43J-S100伺服電機(jī)，功率為0.2 kW。伺服電機(jī)接線如圖2所示。如圖2所示，220 V交流電接進(jìn)來后先進(jìn)入空氣開關(guān)，再經(jīng)過熔斷器的二次保護(hù)后接入伺服電機(jī)中，為伺服電機(jī)供電。接入伺服放大器的220 V交流電要經(jīng)過熔斷器和交流接觸器進(jìn)入伺服系統(tǒng)，以確保貴重器件的安全。

圖2 伺服電機(jī)接線圖

*[基金項(xiàng)目]溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：G20140025）

3 控制流程的分析與程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人示教前，將電源通電，通過觸摸屏中的動(dòng)作方向按鍵對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到位后，開始記錄脈沖數(shù)據(jù)和示教次數(shù)（區(qū)分脈沖的數(shù)據(jù)）。

電源通電后，通過觸摸屏上的清零按鈕清零數(shù)據(jù)（將K0輸入進(jìn)D8170、D8173、D8176、D8179中），并將當(dāng)前位置設(shè)定為原點(diǎn)位置。設(shè)定結(jié)束后，無論機(jī)器人在哪個(gè)位置，當(dāng)按下觸摸屏上的原點(diǎn)按鈕，機(jī)器人都將回到原點(diǎn)位置，并等待下一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。

示教再現(xiàn)的流程如圖3所示。控制柜通電后，按下觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人通過讀取示教所記錄的位置和絕對(duì)位置（DDRVA）指令來動(dòng)作，然后通過中間繼電器確定脈沖是否到位。確定脈沖到位后，PLC內(nèi)部延時(shí)，機(jī)器人抓開始抓取工件。到一定時(shí)間后，機(jī)器人通過比較指令來判斷當(dāng)前的點(diǎn)是不是示教位置的最后一個(gè)點(diǎn)——如果是，機(jī)器人將回歸原點(diǎn)并結(jié)束，等待下一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)；如果不是，機(jī)器人將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，一直到示教點(diǎn)與最后一個(gè)點(diǎn)相等。

4 示教界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏是機(jī)器內(nèi)部的一面鏡子，它能及時(shí)、形象、準(zhǔn)確地反映出機(jī)器運(yùn)作的各種情況，并以圖形、指示燈等形式顯示。本工業(yè)機(jī)器人是通過觸摸屏來調(diào)試的，在PLC的輸入端口接入開關(guān)或傳感器等輸入設(shè)備，在示教界面中分為三個(gè)部分，分別為主畫面、示教界面和數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

4.1 主畫面

主畫面主要用來控制工業(yè)機(jī)器人的啟動(dòng)、停止和復(fù)位，并且進(jìn)行頁面跳轉(zhuǎn)。圖4（a）為觸摸屏主畫面，通過觸摸屏的主頁面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的主要操作。

4.2 示教畫面

示教畫面主要是對(duì)工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)動(dòng)位置進(jìn)行調(diào)試，如圖4（b）所示。通過手抓左轉(zhuǎn)（M1008）、手抓右轉(zhuǎn)（M1007）、小臂上升（M1001）、小臂下降（M1002）、中臂上升（M1003）、中臂下降（M1004）、底座左轉(zhuǎn)（M1005）、底座右轉(zhuǎn)（M1006）這些按鈕對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，將工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)至確定位置，然后按下示教，并記錄這組確定位置。

畫面中間有數(shù)據(jù)監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示框，分別是小臂數(shù)據(jù)監(jiān)控（D10）、中臂數(shù)據(jù)監(jiān)控（D12）、底座數(shù)據(jù)監(jiān)控（D14）和手抓數(shù)據(jù)監(jiān)控（D16）。這4個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)視窗口直接監(jiān)控D8170、D8173、D8176、D8179中的數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC輸出的脈沖。

右邊主要用來設(shè)定小臂、中臂、底座、手抓伺服電機(jī)的速度，

按項(xiàng)目要求確定機(jī)器人所需要的運(yùn)行速度；同時(shí)，在示教畫面中，也設(shè)計(jì)有清零（M2002）按鈕和原點(diǎn)（M2000）按鈕。當(dāng)需要重新設(shè)定原點(diǎn)的時(shí)候，就要清零當(dāng)前位置，也就是清零D8170、D8173、D8176、D8179中的內(nèi)部數(shù)據(jù)，將當(dāng)前的位置設(shè)定為原點(diǎn)。原點(diǎn)位置是為了可以將機(jī)器人快速送回到中間位置而設(shè)定的，同時(shí)也可以在運(yùn)行程序結(jié)束后將機(jī)器人送回到安全位置。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面

數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面如圖4（c）所示。數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面由指示燈部分、數(shù)據(jù)監(jiān)控部分、數(shù)據(jù)采集部分和手抓開合設(shè)定部分組成。在指示燈部分中，可隨時(shí)監(jiān)控程序運(yùn)行情況，亮著的小燈代表當(dāng)時(shí)所運(yùn)行的程序，這樣操作人員就可以了解到工業(yè)機(jī)器人的當(dāng)前位置；數(shù)據(jù)采集部分可以使我們通過對(duì)比記錄的數(shù)據(jù)與當(dāng)前的數(shù)據(jù)，了解當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人是否正常工作；手抓開合設(shè)定部分可以調(diào)試事先預(yù)定的位置，以此確定此時(shí)的機(jī)器人抓是否需要抓取工件。

（a）觸摸屏主畫面

（b）觸摸屏示教畫面

（c）數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面

圖4 示教界面的設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

采用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作可以大大提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。本文通過利用PLC控制伺服電機(jī)控制關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)示教再現(xiàn)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在1～2 s，穩(wěn)態(tài)誤差小于5.0%，具有界面友好、可操作性強(qiáng)、柔性化程度高、成本可控性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于鍛造、搬運(yùn)等生產(chǎn)中，滿足了操作復(fù)雜且環(huán)境惡劣的作業(yè)需求。

〔編輯：王霞〕