基于PLC和觸摸屏的SCARA機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

胡洪鈞

（寧德師范學(xué)院 信息與機電工程學(xué)院，寧德 352100）

0 引言

SCARA機器人具有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向，移動關(guān)節(jié)用于完成末端執(zhí)行器在垂直于平面的運動[1]。該機器人大量用于裝配印刷電路板和電子零部件，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件。圖1所示為實驗室閑置的SCARA機器人的外觀圖，由于年久失修，該機器人控制器基本報廢，因此需要對機器人控制系統(tǒng)進行改造，使得機器人恢復(fù)基本功能。SCARA機器人控制器大多采用專用控制器或“PC機+運動控制卡”[2]，其優(yōu)點在于功能模塊集成程度高，程序語言嚴謹，但是這種控制器開放性較差，而且價格偏高。

目前PLC與觸摸屏技術(shù)作為設(shè)備控制及人機交互的方法被廣泛應(yīng)用[3～6]，并且隨著PLC技術(shù)的發(fā)展和功能模塊的完善，PLC已經(jīng)基本具備了SCARA機器人所需要的所有功能[7～9]，加上PLC擴展性強，程序維護方便，因此項目使用PLC和觸摸屏來開發(fā)該SCARA機器人控制系統(tǒng)，不但可以節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)的成本，而且應(yīng)用前景廣闊。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)SCARA機器人的結(jié)構(gòu)組成和基本功能，首先確定硬件系統(tǒng)設(shè)計方案；然后對系統(tǒng)硬件進行選型，主要包括觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器的選擇；最后正確連接系統(tǒng)各硬件，保證硬件系統(tǒng)功能完整。

圖1 SCARA機器人

1.1 硬件系統(tǒng)工作原理

機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一臺PC機、一片西門子smart panel系列觸摸屏和兩臺西門子S7-200系列PLC組成。其中PC機作為主控系統(tǒng)，通過PLC配套的USB-PPI電纜與PLC#1和PLC#2通訊，主要負責(zé)控制程序的編寫與傳輸，并且將Wincc fl exible組態(tài)好的機器人控制界面通過以太網(wǎng)傳送到觸摸屏。作為人機交互界面的觸摸屏，通過MPI電纜與PLC#1通訊，將機器人實時操控指令傳送給下位機PLC#1和PLC#2?？刂葡到y(tǒng)主要任務(wù)是控制機器人4個關(guān)節(jié)伺服電機協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，完成程序設(shè)定功能，而每臺S7-200系列PLC可同時控制兩臺伺服電機，因此采用兩臺PLC即可實現(xiàn)機器人的運動控制。電機伺服驅(qū)動器是由其他廠家定制而成，需要通過配套的解碼器對伺服電機編碼信號進行解碼才能實時獲取電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信號。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖

1.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)HMI控制面板采用西門子smart 1000IE觸摸屏（1個以太網(wǎng)接口，1個RS-485通訊接口），以太網(wǎng)接口與PC機的RJ45接口通過網(wǎng)線連接，將PC機上由Wincc flexible組態(tài)的SCARA機器人控制界面?zhèn)鬏斀o觸摸屏。下位機PLC#1和PLC#2中央處理單元均采用CPU224XP（14個DI口，10個DO口，2個RS-485通訊口），PC機上的控制程序由CPU224XP的通訊口0載入到PLC#1中。PLC#1的通訊口1與觸摸屏RS-485通訊口通過MPI電纜連接[10]，將來自人機界面的操控指令傳送給PLC#1。在運動控制過程中PLC#2的通訊口0與PLC#1的通訊口0通過PPI纜線進行實時通訊。機器人關(guān)節(jié)伺服電機驅(qū)動裝置采用H015ADN驅(qū)動器，需配套HSN5X解碼器才能正常工作。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

機器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計是尤為關(guān)鍵的一環(huán)，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相互配合才能實現(xiàn)機器人的各項功能。

2.1 系統(tǒng)功能分析

所設(shè)計的機器人控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下四點要求：

1）自由實現(xiàn)對機器人的4個運動軸分別單獨操控；

2）控制機器人四軸協(xié)調(diào)運動完成自動定點搬運作業(yè)；

3）人機界面設(shè)計良好，方便各項操作和監(jiān)控；

4）系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、安全性高。

根據(jù)系統(tǒng)硬件組成和預(yù)設(shè)功能，采用梯形圖法編寫系統(tǒng)控制程序[11]，主要包括機器人運動控制程序、硬件通訊程序、觸摸屏組態(tài)程序，在對這些程序進行仿真校驗之后，把它們傳送到PLC和觸摸屏中。圖3所示為SCARA機器人各機械臂運動控制的開關(guān)信號與PLC的I/O口對應(yīng)地址關(guān)系。

圖3 PLC控制開關(guān)信號

在定點搬運作業(yè)中，機器人末端夾抓的水平位置（X、Y坐標(biāo)）由大臂和小臂決定；升降臂控制夾抓豎直高度（Z坐標(biāo)）。當(dāng)移動到目標(biāo)位置時，夾爪閉合抓起目標(biāo)物，然后移至目的地放下，循環(huán)執(zhí)行此動作命令，便可重復(fù)上述作業(yè)，整個搬運作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 機器人定點搬運作業(yè)流程圖

2.2 人機界面設(shè)計

在SCARA機器人系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)中，人機交互界面的設(shè)計采用西門子Wincc flexible組態(tài)軟件，該軟件可以構(gòu)建多種設(shè)備的組態(tài)環(huán)境，不需要通過專業(yè)的編輯代碼重新開發(fā)新的控制系統(tǒng)，設(shè)計簡便、性能穩(wěn)定，適合于組態(tài)用戶界面來操作和監(jiān)視機器與設(shè)備。首先在PC機上應(yīng)用Wincc flexible組態(tài)軟件搭建機器人控制界面[12]，主要包含系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、手動控制、自動控制、狀態(tài)監(jiān)控和報警記錄六大功能模塊；然后通過以太網(wǎng)通信把組態(tài)好的控制界面下載到Smart1000IE觸摸屏中，就此完成了人機界面的設(shè)計，如圖5所示。

圖5 SCARA機器人系統(tǒng)人機界面

初始化模塊負責(zé)機器人整個控制系統(tǒng)的啟動，將所有程序初始化，并檢測各個模塊是否正常，如果有的模塊無法正常工作，會給予相應(yīng)的警示并對問題故障模塊進行顯示。

參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)機器人的參數(shù)控制，在該功能模塊中可以對機器人各軸的運行速度、位置等可調(diào)參數(shù)進行設(shè)定并且可以管理與設(shè)置I/O系統(tǒng)。

在手動控制模塊中，點擊相應(yīng)的操作按鈕便可分別對機器人4個關(guān)節(jié)上的伺服電機單獨控制，實現(xiàn)各軸的自由運動。

自動控制模塊中設(shè)定了定點搬運功能，當(dāng)按下“模擬搬運開始”按鈕，機器人便立即啟動，自動來回搬運物體，同時可監(jiān)視各軸運動過程中的伺服狀態(tài)。

狀態(tài)監(jiān)控模塊負責(zé)監(jiān)控機器人的工作狀態(tài)，實時顯示機器人各軸當(dāng)前運行速度、位置等參數(shù)值。

報警記錄模塊用于儲存警告/錯誤事件的名稱和發(fā)生時間，以供隨時調(diào)用查看。

3 機器人系統(tǒng)調(diào)試

在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，需要對整個機器人系統(tǒng)進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并排除問題，確保機器人各項功能順利實現(xiàn)。首先檢測硬件系統(tǒng)的搭建情況，主要包括對PLC、伺服驅(qū)動器、觸摸屏和解碼器等各設(shè)備工作性能以及它們之間的通訊狀態(tài)的檢測，排除硬件系統(tǒng)故障，圖6所示是機器人的現(xiàn)場調(diào)試圖。完成上述檢測工作以后，對以下系統(tǒng)各項功能進行調(diào)試。

1）手動控制模式下，依次點擊人機界面中各軸控制按鈕，觀察機器人關(guān)節(jié)運動狀態(tài)；

2）自動控制模式下，點擊“模擬搬運開始”按鈕，觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，判斷機器人是否按程序設(shè)定的搬運作業(yè)流程執(zhí)行任務(wù)；

3）打開狀態(tài)監(jiān)控畫面，觀察機器人各項運動參數(shù)是否正常顯示，參數(shù)值是否正確；

4）調(diào)用報警記錄，查詢歷史故障發(fā)生的原因和時間。

如果檢測到某項功能無法實現(xiàn)或者運行不正常，分析其原因并返回到PC機上檢查、修正運動控制程序、通訊程序或組態(tài)程序。經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)最終實現(xiàn)了各項預(yù)期功能，運行情況良好。

圖6 SCARA機器人現(xiàn)場調(diào)試

4 結(jié)論

文中設(shè)計的SCARA機器人控制系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，上位機負責(zé)向下位機傳輸操控指令；下位機完成機器人的實時運動控制。系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機交互界面，操控機器人運動，實現(xiàn)了機器人單軸自由控制、定點搬運和系統(tǒng)監(jiān)控等主要功能。在實際的應(yīng)用中證明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，其中硬件的選擇和人機界面的設(shè)計對其他類似系統(tǒng)具有普遍的借鑒意義。