基于西門子MAP庫的桁架機械手監(jiān)控系統(tǒng)設計

許仙珍，徐進富

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

基于西門子MAP庫的桁架機械手監(jiān)控系統(tǒng)設計

許仙珍，徐進富

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

摘要：以數(shù)字化柔性制造生產(chǎn)線中的桁架機械手為控制對象，基于S7-200PLC和組態(tài)王軟件設計了機械手監(jiān)控系統(tǒng).采用MAP庫函數(shù)控制桁架機械手x軸、z軸的伺服運動，從而實現(xiàn)物料加工搬運的精確定位.運行結(jié)果表明，桁架機械手運行準確可靠，可以實現(xiàn)參數(shù)設置及系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時、動態(tài)監(jiān)控，達到了設計要求.

關鍵詞：MAP庫；桁架機械手；伺服控制

1　引言

機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備，其特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，在工業(yè)中得到了廣泛的應用.桁架機械手作為機械手中的常用形式，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一個重要部分.近年來，隨著柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）的迅速發(fā)展，桁架機械手作為FMS中的物流環(huán)節(jié)，其控制的精度和穩(wěn)定性日益受到關注，對提高柔性制造的效率和響應能力有著重要作用［1］.

桁架機械手主要由機械手、兩自由度機架、一體式觸摸終端系統(tǒng)組成.實際應用中要求桁架機械手能夠在計算機管理下，完成貨物的加工搬運及出入庫作業(yè)，實現(xiàn)搬運加工自動化，提高了桁架的單位面積利用率和勞動生產(chǎn)率.本文以數(shù)字化柔性制造生產(chǎn)線JL-FMS-S中的桁架機械手為控制對象，設計基于S7-200PLC和組態(tài)王軟件的機械手監(jiān)控系統(tǒng),如圖1所示.機械手升降和左右移動分別由伺服電機驅(qū)動，手爪開合為汽缸驅(qū)動，在橫、縱軸中都安裝了限位開關用來實現(xiàn)桁架機械手的定位.采用MAP庫函數(shù)對桁架機械手x，z軸運動進行控制，實現(xiàn)物料至數(shù)控車床和銑床加工自動搬運控制.

圖1　桁架機械手實物圖

2　控制系統(tǒng)總體設計

2.1總體設計方案

桁架機械手監(jiān)控系統(tǒng)采用上下位機的形式，下位機控制器采用S7-226CN型PLC，通過西門子MAP庫函數(shù)發(fā)出兩路高速脈沖信號分別驅(qū)動x軸、z軸伺服電機，實現(xiàn)物料出入庫和自動搬運作業(yè)；上位機采用組態(tài)王軟件完成監(jiān)控畫面設計，操作人員可以通過人機交互界面控制整個過程和監(jiān)控實時運行狀態(tài)，具體控制框圖如圖2所示.

2.2控制要求分析

桁架機械手有自動和手動兩種控制方式，由方式選擇旋鈕確定［2］.正常生產(chǎn)中使用自動方式，而在調(diào)整及維修時需使用手動方式.在桁架機械手運動控制中，主要體現(xiàn)了桁架機械手與車床、銑床之間的信號傳送與交換.

在整個機械手的運動過程中，每個工作模式都是通過PLC來控制的，并利用組態(tài)軟件來進行上位機的監(jiān)控.

圖2　控制系統(tǒng)方框圖

2.2.1自動模塊

按下啟動按鈕后，桁架機械手尋找參考點.當車床準備好信號發(fā)出，銑床準備好信號發(fā)出.桁架機械手可以工作.當上位機發(fā)送車床加工信號，桁架機械手會下降到立體倉庫取料，取料完成后，桁架將上升，上升到位后，桁架機械手將移動到車床位置，移動到位后，桁架下降.下降到位后，桁架機械手將物料放到車床卡盤中，并發(fā)出已放料信號.車床啟動加工，桁架回零.

當車床加工完成后，由上位機發(fā)出車床翻轉(zhuǎn)加工和車床完成2信號給PLC，桁架機械手將執(zhí)行車床掉頭動作.桁架移動到車床取料位置，移動到位后，桁架下降.下降到位后手爪抓取物料，并將物料拿出卡盤.旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)完畢后，再次將物料放入卡盤.車床啟動，桁架機械手回零.

當車床加工完成后，由上位機發(fā)出車銑床加工和車床完成1信號給PLC，桁架機械手將執(zhí)行車銑加工.桁架移動到車床下料位置，到位后下移取料.取料完成后向上位機發(fā)送取料完成信號，桁架上移.上移到位后，桁架機械手移動到銑床位置下料.當銑床夾具夾緊后，桁架上移.上移到位后向上位機發(fā)送已放料信號，啟動銑床加工，桁架機械手回零.

當銑床加工完成，由上位機發(fā)出銑床完工和銑床完成信號給PLC，桁架執(zhí)行銑床下料動作.桁架右移到銑床下料位置，下移取料.機械手夾取物料，銑床夾具松開.桁架上移并發(fā)送取料完成信號給上位機.桁架將物料放到立體倉庫出料口，并向上位機發(fā)送已放料信號，桁架回零.

為了更好地貼合工廠的實際情況，本文還設計了車床完工加工和銑床加工.考慮到有些物件只需要車床加工，所以設計了車床完工加工，可以把車床加工完成的物料放回立體倉庫出料口.有時工件只需要銑床加工，由此將銑床加工設計出來，可以把工件搬運到指定位置進行加工.

2.2.2手動模塊

手動開關打開，可以直接利用點動按鈕控制桁架機械手左右、上下移動，此時運行指示燈點亮，表示機械手處于運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)了手動控制.

2.3硬件設計

機械手控制器采用CPU 226CN DC/DC/DC型PLC，該機型自帶的Q0.0和Q0.1為2個高速脈沖輸出，Q0.2和Q0.3為方向控制［3］.執(zhí)行元件采用SINAMICS V80伺服控制器，以及配套的伺服電機，伺服電機的編碼器為2500線，四倍頻模式，伺服驅(qū)動器第6、8腳分別用于伺服報警和伺服復位.為保護伺服電機，當機械手到達限位開關時，伺服驅(qū)動器立即停止運行，而且必須在排除故障后，需重新上電后才能再次啟動運行伺服電機.系統(tǒng)中共涉及31個輸入點和28個輸出點，而CPU226 CN型PLC本機只包含24個I/O輸入口和16 個I/O輸出口，所以增加2個EM223的擴展模塊，每個EM223的擴展模塊可提供8個I/O口.具體的I/O分配情況如表1所示，其中I0.0-I2.7和Q0.0-Q1.7地址由CPU提供，I3.0-I4.7和Q2.0-Q3.7地址由2個EM223的擴展模塊提供.

3　基于MAP庫函數(shù)的程序設計

3.1MAP庫函數(shù)的使用［4-6］

S7-200 PLC提供了兩個指令庫，分別為MAP SERV Q0.0和MAP SERV Q0.1，每個指令庫共有9個功能塊，并且每個功能塊的功能完全相同，各功能塊及其功能如表2所示.

表1　I/O分配表

表2　主要功能塊及其功能表

在編程中調(diào)用Q0_x _CTRL功能塊主要是用于傳遞全局參數(shù)，設定最低速度、最高速度和加減速時間.如果操作人員設定的速度大于最高速度或小于最低速度，那么設定的值則被取代.調(diào)用Q0_x_MoveVelocity功能塊用于讓軸按照預設的方向和速度運動，調(diào)用Q0_x_Stop功能塊停止桁架移動.調(diào)用Q0_x_MoveAbsolute功能塊實現(xiàn)絕對位移控制，讓桁架按照指定的位移和速度運行到指定的位置.在絕對位移運動之前，需要先調(diào)用Q0_x_Home功能塊尋找參考點.

3.2PLC程序設計

桁架機械手的主要功能是到指定位置搬運工件至加工位置，控制要點是定位控制.編寫程序時為了使每個任務之間分工清晰，方便操作人員調(diào)試，采用模塊化的編程方式，一項任務對應一個子程序，并通過主程序調(diào)用相應的子程序?qū)崿F(xiàn)一個具體的任務，程序框圖如圖3所示.

圖3　控制系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)上電后，在主程序每個掃描周期初始化Q0_x_CTRL功能塊，以設置運行控制過程中最小、最大運行速度，啟動時間等全局參數(shù).手動控制程序中調(diào)用Q0_x_MoveVelocity及Q0_x_Stop函數(shù)，Q0_x_MoveVelocity函數(shù)控制機械手按照指定的方向和頻率進行運動，從而實現(xiàn)機械手的點動控制，Q0_x_Stop指令控制軸的停止.在自動控制程序中包含6個子程序，分別為車床加工，車床加工（翻轉(zhuǎn)），銑床加工，車銑床加工，車床完工和銑床完工程序.通過調(diào)用這些子程序?qū)崿F(xiàn)機械手的搬運和物料的車、銑加工.在各子程序中調(diào)用MAP庫中的功能塊來設置參數(shù)，包括設定回參考點方向、加減速時間和將距離值或速度轉(zhuǎn)化成所需的脈沖數(shù)或脈沖頻率等.在物料出入庫和搬運過程中，機械手要完成立體倉庫的去送料和車床、銑床的加工，涉及的位置有出庫口、車床和銑床3個位置，因此在程序中設定這3個工位的坐標，分別設定VD100和VD500為x，z軸的絕對坐標值.自動程序中調(diào)用Q0_x_MoveAbsolute函數(shù)及Q0_x_Stop函數(shù)來完成自動程序的運行與停止.

4　系統(tǒng)的人機界面設計

桁架機械手的人機界面選擇組態(tài)王6.55設計［7］，在實現(xiàn)組態(tài)王控制PLC中，第一步要做的就是建立USB/PPI通訊，然后構建變量和基本界面，再將界面中的圖形與變量建立聯(lián)系.從而實現(xiàn)上位機與下位機的通訊，這樣不僅擁有可視化的操作環(huán)境等優(yōu)點，同時還降低了軟件的設計周期.

監(jiān)控界面依據(jù)實物模型進行設計，如圖4所示.當按下啟動按鈕時，桁架機械手復位，運行指示燈亮.接著通過給PLC加工信號控制機械手的運行路徑，再給出準備信號，機械手就能按照所給的加工信號運行了，從而實現(xiàn)了物料的加工和運輸，在運行時可以通過物料燈來監(jiān)控物料的狀態(tài).同時停止按鈕控制機械手的停止，急停按鈕控制機械手的急停，從而起到保護的作用.

圖4　桁架機械手監(jiān)控界面

5　結(jié)束語

桁架機械手是柔性制造生產(chǎn)線中常用的搬運環(huán)節(jié)，其控制要點是手臂搬運路徑的靈活定位.西門子MAP指令庫在實現(xiàn)較復雜的自動化定位控制中發(fā)揮了非常重要的作用，它讓程序的編譯更加簡潔，尤其在控制伺服電機的運動方面有著顯著優(yōu)勢.本文采用S7-226PLC，SINAMICS V80伺服控制器和伺服電機來實現(xiàn)桁架機械手的運動控制，采用MAP庫函數(shù)很好地實現(xiàn)了桁架機械手的精準定位控制，方法簡便，穩(wěn)定性強，具有較好的應用前景.

參考文獻：

［1］連海生.柔性制造系統(tǒng)是制造業(yè)的發(fā)展趨勢［J］.科學時代，2007（1）：84.

［2］文方，房弛，陳芳.基于PLC的機械手控制設計［J］.機床電器，2009（3）：37-38.

［3］胡佳麗，閆寶瑞，張安震，等. S7-200PLC在伺服電機位置控制中的應用［J］.自動化儀表，2009（12）：38-41.

［4］S7-200PLC脈沖輸出MAP庫文件的使用手冊［Z］.西門子（中國）有限公司，2011.

［5］程偉，周雷，解國安.西門子S7-200PLC脈沖輸出MAP指令庫控制步進電機的應用實例［J］.黑龍江科技信息，2013，27 （33）：69.

［6］周彬. S7-200PLC的MAP庫文件應用解析［J］.科技創(chuàng)新導報，2014，23（18）：50.

［7］劉巧紅.柔性制造系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.鄭州：鄭州大學，2010.

A Design of Truss Manipulator Monitoring System Based on MAP library functions

XU Xianzhen，XU Jinfu
（School of Electrical and Automatic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Abstract：A monitoring system of truss manipulator based on S7-200 PLC and Kingview software is designed for digital flexible manufacturing line in this paper. MAP library functions are applied to control the manipulator X axis and Z axis servo motion, so as to accomplish accurate positioning control of material handling. The experimental results show that the designed system is accurate and stable, which can realize parameter setting, control mode switching and real-time dynamic monitoring, so it meets the design requirements.

Key words：MAP library function；Truss Manipulator；servo control

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2794（2016）02-0047-04

收稿日期：2015-08-31

通信作者：許仙珍，副教授，研究方向：先進控制技術、復雜工業(yè)過程監(jiān)控與故障診斷等，E-mail：xuxianzhen@cslg.cn.