基于觸摸屏的機(jī)床上下料機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁華鋒，靳開軒，賀冬冬，劉婧芳

（1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100201；2.馬鞍山市安工大工業(yè)技術(shù)研究院，馬鞍山 243000）

基于觸摸屏的機(jī)床上下料機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁華鋒1，靳開軒1，賀冬冬2，劉婧芳1

（1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100201；2.馬鞍山市安工大工業(yè)技術(shù)研究院，馬鞍山 243000）

以機(jī)床上下料機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工搬運(yùn)，可減少勞動力投入，降低管理成本，提高效益；以觸摸屏控制代替面板控制，可節(jié)約操作空間，方便調(diào)整面板屬性。介紹了機(jī)床上下料機(jī)器人的工作原理，設(shè)計(jì)了送料規(guī)則，制定了控制準(zhǔn)則，利用觸摸屏設(shè)計(jì)軟件及PLC編程軟件，設(shè)計(jì)了觸摸屏文件，編輯了PLC程序，最后進(jìn)行了仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了以觸摸屏控制機(jī)床上下料機(jī)器人送料的功能。

上下料；機(jī)器人；PLC；觸摸屏

0　引言

機(jī)床上下料作為專用機(jī)器人，是智能工廠的重要組成部分，其極大的提高了勞動效率、降低了勞動力成本［1］。自動化生產(chǎn)線是依照所設(shè)定的工藝過程，將生產(chǎn)和加工各過程組合起來，完成上料、裝卸、下料和加工等工序的自動測量、自動控制和連續(xù)生產(chǎn)［2］。機(jī)床上下料機(jī)器人適用于機(jī)床、生產(chǎn)線的上下料、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等，主要針對圓盤類、長軸類、不規(guī)則形狀、金屬板類等工件，在工業(yè)自動化中得到廣泛的應(yīng)用［3～5］。

傳統(tǒng)的機(jī)床上下料機(jī)器人，由操作面板控制，文獻(xiàn)［6］局限性在于：操作面板空間有限，不能放置太多的按鈕或開關(guān)，操作面板無法更改，一旦軟件更新，須重新制作面板。本文設(shè)計(jì)的控制軟件，以觸摸屏控制，不僅節(jié)約操作空間，并可調(diào)整面板屬性。以四自由度機(jī)床上下料機(jī)器人為準(zhǔn)，以EB Pro和WPLSoft為輔助軟件，設(shè)計(jì)智能控制軟件，EB Pro是威綸公司開發(fā)的人機(jī)界面軟件，用于觸摸屏的設(shè)計(jì)；WPLSoft是臺達(dá)電子開發(fā)的編程軟件，用于PLC的編程。

1　機(jī)床上下料機(jī)器人簡介

機(jī)床上下料機(jī)器人由三部分組成，第一部分由一號電機(jī)控制，沿z軸移動；第二部分是旋轉(zhuǎn)臂，由二號電機(jī)控制，繞二號電機(jī)轉(zhuǎn)動；第三部分由三號電機(jī)控制，沿x軸移動，如圖1所示。

圖1　機(jī)床上下料機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖

抓手安裝在三號電機(jī)控制的線性模組滑塊上（圖中尚未安裝），當(dāng)貨物位置與目的地給定，機(jī)器人將在一號電機(jī)帶動下從原點(diǎn)出發(fā)，向上移動300mm，接著二號電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)至貨物的正上方，之后一號電機(jī)帶動機(jī)器人向下運(yùn)動至與貨物同一水平面，三號電機(jī)帶動線性模組運(yùn)動至貨物準(zhǔn)確位置，抓手抓取貨物，然后一號電機(jī)帶動機(jī)器人向上移動至300mm處，二號電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)至目的地上方，一號電機(jī)帶動機(jī)器人向下運(yùn)動至與目的地同一水平面，三號電機(jī)帶動線性模組運(yùn)動至目的地準(zhǔn)確位置，松手放置貨物，然后以同樣的方式移動至貨物位置，以達(dá)周期送料的目的。

設(shè)機(jī)器人末端的位置為（x，y，z），機(jī)器人一號電機(jī)線性模組的線位移為h，二號電機(jī)模組的角位移為θ，三號電機(jī)線性模組的線位移為s，顯然z=h，上下料機(jī)器人的俯視圖如圖2所示，那么，當(dāng)（h，θ，s）已知時：

圖2　機(jī)床上下料機(jī)器人俯視簡圖

當(dāng)（x，y，z）已知時：

或：

其中，0≤s≤160，當(dāng)根據(jù)上述公式計(jì)算出來的s不在［0，160］區(qū)間內(nèi)時，舍去該解，當(dāng)兩個解所得s均不在［0，160］中時，該位形不存在。

2　機(jī)床上下料機(jī)器人智能控制軟件設(shè)計(jì)方法

2.1軟件開發(fā)的整體思路

根據(jù)機(jī)床上下料機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出其控制規(guī)則和運(yùn)動動作，從而設(shè)計(jì)人機(jī)界面，編制梯形圖，將人機(jī)界面導(dǎo)入觸摸屏中，梯形圖導(dǎo)入PLC中，PLC與觸摸屏相連，人們控制觸摸屏，觸摸屏控制PLC動作，PLC根據(jù)后臺程序控制電機(jī)發(fā)送脈沖，控制電機(jī)的運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床上下料機(jī)器人的搬運(yùn)工作，如圖3所示。

圖3　整體思路

2.2EB Pro設(shè)計(jì)方法

2.2.1EB Pro界面設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)界面的邏輯決定整個軟件的開發(fā)流程，系統(tǒng)界面可分為登錄界面、主菜單、手動控制模式、坐標(biāo)控制模式、自動送料模式、歷史登錄顯示、修改密碼7大模塊。邏輯圖如圖4所示。

2.2.2登錄界面的設(shè)計(jì)

登錄界面是觸摸屏的初始窗口，用戶進(jìn)入登錄系統(tǒng)界面時，電機(jī)抱閘和使能關(guān)閉，用戶需輸入用戶名和密碼，密碼正確方可進(jìn)入主菜單，用戶也可選擇注銷退出登錄。

圖4　界面設(shè)計(jì)思路

2.2.3主菜單的設(shè)計(jì)

用戶進(jìn)入主菜單時，電機(jī)抱閘和使能打開，用戶可選擇要進(jìn)入的窗口，分別是手動控制、坐標(biāo)控制、送料模式、查看歷史登錄、修改密碼、登錄界面。

2.2.4手動控制模式的設(shè)計(jì)

手動控制模式中，用戶可手動調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動，實(shí)時看到當(dāng)前各關(guān)節(jié)的位移或角位移情況，根據(jù)這些位置，確定送料模式的貨物位置和目的地的坐標(biāo)，選擇返回原點(diǎn)后，返回原點(diǎn)指示燈將亮，提示用戶機(jī)器人正在返回原點(diǎn)，并且其他按鍵均會失效，直到各關(guān)節(jié)均到達(dá)原點(diǎn)后，用戶才可進(jìn)行其他操作。

2.2.5坐標(biāo)控制模式的設(shè)計(jì)

坐標(biāo)控制模式中，用戶輸入一、三關(guān)節(jié)的位移及二關(guān)節(jié)的角位移，選擇開始移動，機(jī)器人各關(guān)節(jié)將移動至輸入位置，移動指示燈亮，提示用戶機(jī)器人正在移動，其他按鍵均會失效，待各關(guān)節(jié)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，用戶才可進(jìn)行其他操作。

2.2.6送料模式的設(shè)計(jì)

送料模式中，輸入貨物位置及目的地位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人連續(xù)送料。用戶進(jìn)入該界面后，輸入貨物位置和目的地位置，若機(jī)器人各關(guān)節(jié)未處于原點(diǎn)位置，用戶選擇返回原點(diǎn)，待各關(guān)節(jié)返回原點(diǎn)后，開始送料鍵才可生效。選擇開始送料，機(jī)器人連續(xù)送料，送料燈亮，用戶可根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)節(jié)速度快慢，速度越快，機(jī)器會抖動幅度越大，用戶須調(diào)節(jié)加速度時間，時間越長，抖動的幅度越小，但加速度時間不宜過長，有可能會導(dǎo)致速度過大，使得電機(jī)過載。送料過程中，除速度加速度調(diào)節(jié)及停止送料按鈕外，其他按鍵均會失效，用戶選擇停止送料后，機(jī)器人會立即停止送料，用戶方可進(jìn)行其他操作。

2.2.7查看登錄歷史模式的設(shè)計(jì)

該模式下，用戶可以查看本臺機(jī)器的登錄情況。

2.2.8修改密碼界面設(shè)置

該模式下，用戶可以根據(jù)需要修改密碼，保障系統(tǒng)安全。如圖5所示。

圖5　觸摸屏各界面設(shè)計(jì)

2.3PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

2.3.1PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)思路

三臺電機(jī)依靠PLC向電機(jī)發(fā)送脈沖運(yùn)動，脈沖的發(fā)送速度與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，利用PLC中的計(jì)時功能，以電機(jī)轉(zhuǎn)動的時間與轉(zhuǎn)速相乘，計(jì)算各模組的線位移或角位移；利用梯形圖的指針功能，可在不同模式下操作機(jī)器人運(yùn)動；利用接近開關(guān)，將機(jī)器人限制在安全的工作區(qū)域里，并且確定其工作原點(diǎn)；利用PLC中的附加減速脈沖指令，調(diào)節(jié)機(jī)器人的加減速時間，使機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)。

2.3.2抱閘與使能控制程序設(shè)計(jì)

為保護(hù)PLC起見，不應(yīng)將抱閘與使能同時打開或關(guān)閉，若打開抱閘和使能，須先打開抱閘，0.5s后打開使能，若關(guān)閉抱閘和使能，須先關(guān)閉使能，0.5s后關(guān)閉抱閘。

2.3.3手動模式程序設(shè)計(jì)

手動模式中，由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較慢，同時為了確保精確計(jì)算位置信息，采取脈沖輸出指令控制脈沖發(fā)送，當(dāng)按下箭頭按鈕時，相應(yīng)的歸復(fù)型開關(guān)置on，脈沖發(fā)送，電機(jī)轉(zhuǎn)動，同時計(jì)時器打開，記錄按下箭頭的時間，當(dāng)松開按鈕時，脈沖停止發(fā)送，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，相應(yīng)計(jì)時器開關(guān)下跳沿觸發(fā)，時間存入位置信息中。

2.3.4坐標(biāo)模式程序設(shè)計(jì)

坐標(biāo)模式中，當(dāng)用戶輸入目標(biāo)點(diǎn)，選擇開始移動，目標(biāo)點(diǎn)的位置信息存入PLC中，計(jì)算各電機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)，2s后三臺電機(jī)同時運(yùn)動，直到末端移動至目標(biāo)點(diǎn)為止。若目標(biāo)點(diǎn)無法到達(dá)，電機(jī)繼續(xù)向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動，直到各關(guān)節(jié)觸碰到接近開關(guān)為止。

2.3.5自動送料模式程序設(shè)計(jì)

自動送料模式中，由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，采取附加減速脈沖輸出指令。用戶輸入貨物位置和目標(biāo)點(diǎn)，選擇開始送料，貨物位置和目標(biāo)點(diǎn)將存入PLC中，并計(jì)算各電機(jī)每個動作的輸出脈沖數(shù)，2s后開始送料。該模式中用到了系統(tǒng)特殊寄存器M1029、M1030、M1036，分別在一、二、三號電機(jī)脈沖輸出完畢后產(chǎn)生一個上跳沿脈沖控制下一個動作的進(jìn)行，用戶可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和加速度，將電機(jī)脈沖輸出頻率和加減速時間存入D寄存器中，每當(dāng)選擇一次加速或減速后，輸出脈沖頻率增加或減少25000Hz，用戶選擇增加或減少加減速時間后，電機(jī)每次運(yùn)動的加減速時間增加或減少10ms。

2.3.6回零程序設(shè)計(jì)

回零程序是鑲嵌在手動控制模式、坐標(biāo)控制模式、自動送料模式中的一套程序，用戶選擇返回原點(diǎn)，2s后，機(jī)器人開始回零，由于回零過程速度較緩，并且PLC所發(fā)脈沖數(shù)為無窮大，故采取脈沖輸出指令控制，當(dāng)各關(guān)節(jié)觸碰到回零接近開關(guān)時，回零完成。

2.3.7剎車程序設(shè)計(jì)

當(dāng)有關(guān)節(jié)處于接近開關(guān)附近時，接近開關(guān)所連的觸點(diǎn)置on，當(dāng)離開接近開關(guān)的某個范圍時，觸點(diǎn)置off，在實(shí)際生產(chǎn)工作中，如果某關(guān)節(jié)處于高速運(yùn)動，運(yùn)動至接近開關(guān)附近，此時關(guān)節(jié)突然停止運(yùn)動，很可能產(chǎn)生劇烈震動將關(guān)節(jié)點(diǎn)震出該范圍，那么接近開關(guān)置off，關(guān)節(jié)將繼續(xù)運(yùn)動，很可能脫離安全區(qū)域，造成嚴(yán)重后果。需要設(shè)計(jì)一個剎車程序，即當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動到接近開關(guān)附近時，上跳沿使得輔助寄存器M214置on，同時開始計(jì)時2s，在這2s內(nèi)，無論接近開關(guān)的觸點(diǎn)是否置為off，M214將一直處于on狀態(tài)，阻止PLC向電機(jī)發(fā)送脈沖，2s后，且接近開關(guān)的下跳沿出發(fā)時，M214才會置off，這樣就能保證無論關(guān)節(jié)是否震出接近開關(guān)的感應(yīng)范圍，仍會停止運(yùn)動。

3　仿真調(diào)試

3.1打開或關(guān)閉抱閘使能的調(diào)試

打開機(jī)器進(jìn)入登錄界面，進(jìn)入主菜單中，查看電機(jī)抱閘與使能打開情況及打開順序如圖6所示。

圖6　打開使能和抱閘

然后返回登錄界面，查看抱閘與使能的關(guān)閉情況及關(guān)閉順序，如圖7所示。

圖7　關(guān)閉使能和抱閘

3.2返回原點(diǎn)與手動模式的調(diào)試

進(jìn)入手動控制模式，選擇返回原點(diǎn)，查看各關(guān)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)，是否能夠回零，如圖8所示。

圖8　返回原點(diǎn)調(diào)試

之后調(diào)節(jié)各方向鍵，查看各關(guān)節(jié)能否按正確方向運(yùn)動，并查看坐標(biāo)變化狀態(tài)，如圖9所示。

圖9　手動模式調(diào)試

3.3坐標(biāo)模式的調(diào)試

進(jìn)入坐標(biāo)控制模式，查看當(dāng)前坐標(biāo)是否正確，輸入坐標(biāo)，查看各關(guān)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)，是否能夠運(yùn)動至所輸入的坐標(biāo)點(diǎn)，如圖10所示。

3.4自動送料模式的調(diào)試

進(jìn)入自動送料模式，輸入貨物位置與目的地坐標(biāo)，選擇返回原點(diǎn)，待機(jī)器人回零后，選擇開始送料，查看機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況，同時選擇加速和減速按鈕，查看機(jī)器人的運(yùn)動速率變化，當(dāng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生抖動時，調(diào)節(jié)加速度按鈕，查看機(jī)器人加速度變化情況，關(guān)節(jié)抖動幅度是否減小，不斷調(diào)節(jié)加速與加速度按鈕，使得機(jī)器人最高轉(zhuǎn)速至3000r/min，之后選擇停止送料，看機(jī)器人是否立即停止送料，如圖11所示。

圖10　坐標(biāo)模式調(diào)試

圖11　送料模式調(diào)試

3.5查看歷史登錄與密碼修改模式的調(diào)試

進(jìn)入查看歷史登錄模式，查看登錄狀態(tài)，再返回主菜單，進(jìn)入密碼修改模式修改密碼，看相應(yīng)功能能否實(shí)現(xiàn)，如圖12所示。

圖12　歷史登錄與密碼修改模式調(diào)試

4　結(jié)論

1）本課題完成了機(jī)床上下料機(jī)器人智能控制軟件的開發(fā)工作，包括界面的開發(fā)及后臺程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三種模式下控制機(jī)器人運(yùn)動：手動模式、坐標(biāo)控制模式、自動送料模式，手動模式下用戶通過按鍵的方式，調(diào)節(jié)機(jī)器人走動；坐標(biāo)控制模式下，用戶輸入坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動；自動送料模式下，用戶輸入送料的貨物位置及目的地，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周期送料，用戶也可調(diào)節(jié)機(jī)器人的送料速度，找到最合適的送料狀態(tài)。

2）該軟件有容錯和提示功能，用戶在選擇返回原點(diǎn)后，其他按鍵均會失效，直到機(jī)器人回零，才可進(jìn)行下一步操作；送料模式下，如果機(jī)器人未處于原點(diǎn)，開始送料鍵失效；返回原點(diǎn)時，回零指示燈亮，提示用戶：機(jī)器人回零中；送料時，送料指示燈亮，提示用戶：機(jī)器人正在送料。

3）本課題進(jìn)行了仿真調(diào)試，客觀明了地展示了該軟件的所有功能，為以后的機(jī)床上下料機(jī)器人軟件發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。

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Control system design of feeding and unloading robot based on touch screen

DING Hua-feng1，JIN Kai-xuan1，HE Dong-dong2，LIU Jing-fang1

TP242.2

A

1009-0134（2016）09-0063-05

2016-06-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475015）

丁華鋒（1977 -），男，湖北荊門人，教授，博士后，研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)械運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制、數(shù)字樣機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)電一體化技術(shù)、新型機(jī)械裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)。