五自由度機(jī)械手的PLC控制

摘 要：首先分析了該系統(tǒng)的工程應(yīng)用意義及價(jià)值，然后對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手底座的水平移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，采用直流電機(jī)控制機(jī)械手的手臂，用舵機(jī)控制機(jī)械手的手爪。設(shè)計(jì)了PLC的外部接線，采用順序控制的編程方法編寫了控制程序。并且建立了兩臺(tái)PLC的PPI網(wǎng)絡(luò)通信。設(shè)計(jì)了觸摸屏監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械手的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械手；步進(jìn)電機(jī)；組態(tài)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.043

1 引言

機(jī)器人是在機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展浪潮中涌現(xiàn)出來的一種新型裝置，它的出現(xiàn)大大解放了生產(chǎn)工人的勞動(dòng)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人技術(shù)是未來高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)具有重要意義。我國在863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項(xiàng)等規(guī)劃中對機(jī)器人技術(shù)研究給予極大的重視[1]。

隨著工業(yè)4.0和我國的“中國制造2025”戰(zhàn)略的部署，我國大力發(fā)展制造業(yè)，而我國的制造業(yè)正處在上升期，隨著市場競爭的激烈、勞動(dòng)力成本的逐年上升以及用戶對個(gè)性化、定制化的需求越來越迫切，老齡化社會(huì)的形成，一線工人減少的趨勢不可逆轉(zhuǎn)，我國制造業(yè)迫切需要升級改造，來提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)具有迫切的需求。

2 系統(tǒng)的控制要求

要求機(jī)械手在4個(gè)工位之間依次搬運(yùn)工件，控制程序具有“復(fù)位”“啟動(dòng)”“停止”“急?！惫δ堋?/p>

機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中，按“停止”按鈕，五自由度機(jī)械手完成當(dāng)前動(dòng)作后停止運(yùn)行，按“啟動(dòng)”按鈕，五自由度機(jī)械手繼續(xù)下一步動(dòng)作。

在五自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下“急?！遍_關(guān)，五自由度機(jī)械手立即停止移動(dòng)及轉(zhuǎn)向，此時(shí)如需再次運(yùn)行機(jī)械手，需親手將本次搬運(yùn)途中掉下的工件拿到1號物料臺(tái)，再按“復(fù)位”按鈕“復(fù)位”完成后，按啟動(dòng)可重新運(yùn)行。

系統(tǒng)采用兩臺(tái)S7-200PLC，一臺(tái)作為從站對機(jī)械手進(jìn)行控制，另一個(gè)臺(tái)作為主站監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。觸摸屏與主站PLC連接，實(shí)現(xiàn)對主站PLC和從站PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并控制PLC按上述流程完成搬運(yùn)任務(wù)。

利用觸摸屏，可以對系統(tǒng)進(jìn)行“復(fù)位”、“啟動(dòng)”、“停止”“急停”等操作，并可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前五自由度機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入需要有四個(gè)按鈕分別控制系統(tǒng)的“復(fù)位（SB1）”“啟動(dòng)（SB2）”“停止（SB3）”“急停（SB4）”功能；還需有四個(gè)傳感器分別作為“原點(diǎn)”“右限位”“底座旋轉(zhuǎn)限位”的限位與控制。

機(jī)械手有五個(gè)自由度，分別是基座水平移動(dòng)、基座旋轉(zhuǎn)、大臂抬放、小臂抬放、手爪夾緊和放松?；乃揭苿?dòng)和旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)來控制，步進(jìn)電機(jī)分別由PLC的兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1控制其速度；大臂和小臂由直流電機(jī)控制。手爪由舵機(jī)控制。

PLC控制結(jié)構(gòu)圖如圖2：

為節(jié)約成本，該系統(tǒng)只有水平移動(dòng)和底座旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，S7-200PLC只有兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，其他三個(gè)自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪電機(jī)通過PLC的普通輸出點(diǎn)進(jìn)行控制。

4 PLC的軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，由主程序模塊和6個(gè)子程序模塊組成，子程序包括水平移動(dòng)、水平停止、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)停止、水平復(fù)位、水平減速。程序結(jié)構(gòu)圖如圖3：

5 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與組態(tài)

西門子S7-200系列PLC支持多種通信協(xié)議，協(xié)議定義了主站與從站兩類通信設(shè)備，主站可以對網(wǎng)絡(luò)上另一臺(tái)（或多臺(tái)）設(shè)備從站發(fā)出命令，從站則響應(yīng)來自主站的命令。主、從站間的專用通信協(xié)議有PPI協(xié)議、MPI協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議和自由口協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，S7-200經(jīng)常采用PPI協(xié)議進(jìn)行通信。S7-200通過PPI通信可以發(fā)揮其強(qiáng)大的通信功能，實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、PLC與PC、PLC與其他智能設(shè)備之間的信息交換，組成集中管理的多級分布式PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[2]。

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用兩臺(tái)PLC，一臺(tái)作為從站用于控制機(jī)器人的動(dòng)作，另一臺(tái)作為主站對從站的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，用計(jì)算機(jī)在S7-200CPU處于STOP模式時(shí)對PLC進(jìn)行編程，并對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。

組態(tài)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用極大地提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。目前，基于組態(tài)技術(shù)，以PLC為核心的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)一般是利用單臺(tái)PLC或PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)完成信號的前沿采集、檢測與控制功能，PC機(jī)和組態(tài)軟件只用于系統(tǒng)的監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)采用MCGS軟件進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)流程如圖5所示。

6 結(jié)術(shù)語

基于MCGS組態(tài)監(jiān)控的機(jī)械手主從網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在山東英才學(xué)院PLC實(shí)驗(yàn)室調(diào)試通過并實(shí)際運(yùn)行。該系統(tǒng)成本低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，采用MCGS進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，方便、快捷，可以在工程應(yīng)用中推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚民，王碩.機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，7（39）：7.

[2]朱奕丹，吳凱波.主從式S7-200PPI通信與MCGS監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006（25）：5.

項(xiàng)目支持：山東英才學(xué)院校級科研立項(xiàng) （14YCYBZR06）

作者簡介：楊新軍（1977-），副教授，研究方向：控制理論與檢測技術(shù)。