基于嵌入式軟PLC的包裝搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

時(shí)恒秀

（連云港美步家居有限公司，江蘇連云港222062）

0 引言

隨著智能裝備技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工作業(yè)，廣泛用于對(duì)產(chǎn)品的包裝、分揀、搬運(yùn)與裝卸等流程化作業(yè)過(guò)程，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高了工作效率[1]。目前，機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用硬PLC控制器，通過(guò)硬件組態(tài)使機(jī)械手與現(xiàn)場(chǎng)其他的PLC構(gòu)成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工與搬運(yùn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。然而，所選用的硬PLC控制器框架結(jié)構(gòu)是封閉的[2]，即使不同的PLC控制器之間利用通用的現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)加工與搬運(yùn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，但機(jī)械手控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，因?qū)ぶ贩绞?、指令系統(tǒng)及程序結(jié)構(gòu)差異，很難準(zhǔn)確判定硬PLC控制存在的問(wèn)題。

因此，本文利用S3C2410嵌入式ARM9控制器，設(shè)計(jì)基于IEC 61131-3語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的軟PLC系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)適用于包裝搬運(yùn)機(jī)械手流程化作業(yè)監(jiān)控和管理的應(yīng)用功能，在滿足工業(yè)控制應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，大幅提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容能力。

1 嵌入式軟PLC系統(tǒng)總體方案

嵌入式軟PLC硬件方案如圖1所示，系統(tǒng)核心選擇高性能嵌入式芯片S3C2410，并在外圍配置核心板電路和通信接口、控制I/O和觸摸屏等功能模塊。核心板電路提供軟PLC正常供電、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、保護(hù)復(fù)位、時(shí)鐘基準(zhǔn)、調(diào)試等功能，確保軟PLC運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。通信設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)和RS-232串行接口，方便利用現(xiàn)場(chǎng)總線與其他設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。觸摸屏允許操作人員與機(jī)械手進(jìn)行交互，方便在線設(shè)定工藝參數(shù)，監(jiān)視搬運(yùn)包裝過(guò)程機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)。

由于所用包裝搬運(yùn)機(jī)械手依靠氣動(dòng)控制，控制I/O分別開(kāi)發(fā)足夠數(shù)目的數(shù)字量I/O和模擬量I/O，其中數(shù)字量I/O利用光電隔離器件和限位開(kāi)關(guān)輸入監(jiān)視機(jī)械手夾持、伸縮、升降和回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，再通過(guò)繼電器輸出控制包裝搬運(yùn)機(jī)械手的作業(yè)流程；而模擬量I/O在線監(jiān)測(cè)氣缸壓力，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)控制機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，確保機(jī)械手順利完成包裝搬運(yùn)任務(wù)。

圖1 嵌入式軟PLC硬件結(jié)構(gòu)

2 包裝搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用功能硬件設(shè)計(jì)

包裝搬運(yùn)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)B缸升降、C缸進(jìn)退準(zhǔn)確定位待夾持產(chǎn)品的位置，利用D缸控制夾緊產(chǎn)品，并通過(guò)A端伺服回轉(zhuǎn)將產(chǎn)品放置到包裝與分揀輸送帶上，而產(chǎn)品包裝、分揀完成后，再利用機(jī)械手搬運(yùn)成品，實(shí)現(xiàn)對(duì)成品的裝卸與堆垛控制。因此，包裝搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用包括對(duì)產(chǎn)品的夾緊與松開(kāi)、取放產(chǎn)品位置時(shí)進(jìn)退與升降、輸送帶間轉(zhuǎn)運(yùn)回轉(zhuǎn)等基本功能。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行夾緊與松開(kāi)控制時(shí)，嵌入式軟PLC的開(kāi)關(guān)量輸入DI監(jiān)測(cè)B缸升降、C缸進(jìn)退信息，在軟PLC無(wú)故障反饋時(shí)，利用開(kāi)關(guān)量輸出DO控制繼電器線圈得失電，其中D缸頂端與末端線圈構(gòu)成互鎖機(jī)構(gòu)，頂端線圈得電，機(jī)械手夾持產(chǎn)品，相反末端線圈得電，機(jī)械手將所夾持產(chǎn)品松開(kāi)。

圖2 包裝搬運(yùn)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)

取、放產(chǎn)品位置時(shí)，需要借助B、C缸動(dòng)作調(diào)節(jié)機(jī)械手夾持端與輸送帶之間的相對(duì)位置。由于包裝、分揀、裝卸流程與搬運(yùn)機(jī)械手的相對(duì)位置固定，軟PLC的開(kāi)關(guān)量DI/DO監(jiān)控B缸升降、C缸進(jìn)退等動(dòng)作，利用限位開(kāi)關(guān)的DI反饋界定機(jī)械手升降、進(jìn)退的空間位置。若機(jī)械手升降、進(jìn)退過(guò)程中軟PLC接收限位反饋，則正在執(zhí)行的B缸或C缸動(dòng)作停止，預(yù)示機(jī)械手到達(dá)取、放產(chǎn)品位置。

輸送帶間轉(zhuǎn)運(yùn)回轉(zhuǎn)應(yīng)用伺服轉(zhuǎn)角控制，通過(guò)人工示教和軟PLC存儲(chǔ)，確定機(jī)械手由待包裝工位回轉(zhuǎn)到包裝與分揀工位、已包裝與分揀工位回轉(zhuǎn)到裝卸與堆垛工位的轉(zhuǎn)角信息，其中軟PLC的模擬量AI經(jīng)信號(hào)調(diào)理和AD輸入編碼器檢測(cè)的角度參數(shù)，若該角度達(dá)到示教存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)角參數(shù)，則機(jī)械手回轉(zhuǎn)到位，準(zhǔn)備取、放產(chǎn)品位置進(jìn)退與升降控制，而編碼器反饋輸入未達(dá)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)角值，軟PLC利用模擬量AO和驅(qū)動(dòng)電路控制伺服電機(jī)，確保夾持產(chǎn)品的機(jī)械手回轉(zhuǎn)到位。

3 包裝搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用功能軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式軟PLC編程環(huán)境設(shè)計(jì)

梯形圖編程具有直觀、簡(jiǎn)單和易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，為使設(shè)計(jì)的軟PLC也具備梯形圖編程功能，應(yīng)用支持IEC 61131-3語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的CodeSys編程軟件開(kāi)發(fā)[3-4]。首先，利用編程計(jì)算機(jī)在CodeSys中設(shè)置嵌入式S3C2410對(duì)應(yīng)的IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言所需的運(yùn)行環(huán)境；然后在CodeSys中定義和初始化控制I/O和屬性變量，如圖3所示，應(yīng)用直觀的梯形圖符號(hào)表示觸點(diǎn)（常開(kāi)、常閉）、線圈和繼電器（輔助、時(shí)間和計(jì)數(shù)等）等，通過(guò)實(shí)時(shí)變量映射建立控制邏輯，再由梯形圖編程實(shí)現(xiàn)軟PLC的基本功能；最后，利用編程計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)、編譯包裝搬運(yùn)機(jī)械手的梯形圖程序，由硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的RS-232串行接口將程序下載到軟PLC。

3.2 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

包裝搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟PLC編程環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖4所示。軟PLC系統(tǒng)初始化，利用循環(huán)程序檢測(cè)機(jī)械手的啟動(dòng)狀態(tài)，若機(jī)械手啟動(dòng)，按工藝需求分別對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行夾緊與松開(kāi)、取放產(chǎn)品位置時(shí)進(jìn)退與升降、輸送帶間轉(zhuǎn)運(yùn)回轉(zhuǎn)等基本功能控制。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 實(shí)時(shí)變量的映射結(jié)構(gòu)

圖4 包裝搬運(yùn)機(jī)械手控制流程圖

針對(duì)硬PLC監(jiān)控存在的缺陷和不足，設(shè)計(jì)兼容性和擴(kuò)展能力更強(qiáng)的嵌入式軟PLC系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于包裝搬運(yùn)機(jī)械手的在線控制。其中，軟PLC基于S3C2410控制器開(kāi)發(fā)，并設(shè)計(jì)支持IEC 61131-3語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的梯形圖編程環(huán)境。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用極大地提高了產(chǎn)品包裝、分揀、搬運(yùn)與裝卸等流程化作業(yè)效率，且具有通用的尋址方式、指令系統(tǒng)及程序結(jié)構(gòu)，方便了工藝人員識(shí)讀程序，及時(shí)診斷和解決機(jī)械手控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題。