基于三菱PLC的機(jī)器人加工單元控制研究

郭文娟

（南京技師學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

為了滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域需要朝自動化方向發(fā)展，這樣能夠突破以往人工生產(chǎn)的人力局限性影響，并且提高生產(chǎn)流程及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，故經(jīng)過多年研發(fā)，我國已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)自動化生產(chǎn)，其中關(guān)鍵技術(shù)就是PLC。PLC是一種可儲存編寫程序，并根據(jù)編寫程序進(jìn)行自動運作的邏輯控制器。在工業(yè)生產(chǎn)中其相當(dāng)于控制執(zhí)行端，能夠根據(jù)已經(jīng)編寫好的程序邏輯對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制，由此實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。從這一角度出發(fā)，要如何發(fā)揮PLC作用來控制機(jī)器人加工單元就成了一項值得思考的問題，有必要對此展開相關(guān)研究[1]。

1 機(jī)器人加工單元設(shè)計

1.1 機(jī)器人選型

本文以七軸搬運機(jī)器人為例展開設(shè)計，該機(jī)器人的特點為：第一，因為機(jī)器人采用了七軸結(jié)構(gòu)，所以能夠做出更加復(fù)雜、繁瑣的動作，相比于普遍的六軸結(jié)構(gòu)，能夠在更為復(fù)雜的環(huán)境中運作，即六軸結(jié)構(gòu)的機(jī)器人無法應(yīng)用于狹小空間，或者是存在大量障礙物的環(huán)境中，但七軸機(jī)器人可以。同時該機(jī)器人安裝形式多種多樣，有吊掛式、壁掛式、傾斜式等，且不同形式內(nèi)部均配有伺服電動機(jī)驅(qū)動工具接線，不會與周邊設(shè)備發(fā)生沖突，因此布局應(yīng)用非常方便；第二，該機(jī)器人是為了應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境而開發(fā)出來的產(chǎn)品，因此具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，即該機(jī)器人除了能夠在復(fù)雜空間環(huán)境下順利作業(yè)以外，還能抵御一些惡劣環(huán)境因素的干擾，如機(jī)器人主機(jī)、活動手腕等關(guān)節(jié)處的防塵、防水規(guī)格都達(dá)到了IP67水準(zhǔn)，說明環(huán)境因素很難導(dǎo)致其出現(xiàn)異常[2]。

1.2 加工單元功能設(shè)計

圍繞七軸搬運機(jī)器人，其加工單元功能設(shè)計結(jié)果見表1（因為本文主要論述的是加工單元控制，所以不對加工單元本身的功能設(shè)計過程進(jìn)行介紹）。

表1 加工單元功能設(shè)計結(jié)果

1.3 操作流程設(shè)計

本文中機(jī)器人的操作流程共分三個步驟：第一，系統(tǒng)上電，主要打開壓縮空氣進(jìn)氣閥，確認(rèn)外部電源無異常、分項電源保護(hù)開關(guān)處于合閘狀態(tài)后，對PLC總控制柜的電源開關(guān)進(jìn)行合閘操作，讓機(jī)器人啟動。完成后需要在操作面板上旋轉(zhuǎn)電源安全，使其進(jìn)入“接入”位置，完成系統(tǒng)上電，同時機(jī)器人觸屏自動開啟，并且開始自檢，如果存在異常會發(fā)出報警，人工處理后點擊“復(fù)位”鍵即可；第二，系統(tǒng)循環(huán)啟動和停止，因為系統(tǒng)剛上電之后處于初始化狀態(tài)，觸屏中的初始化指示燈常亮，所以機(jī)器人處于原工位，搬運抓手是松動狀態(tài)，整體并未啟動，故為了讓機(jī)器人開始循環(huán)搬運，需要在上料位置放搬運目標(biāo)，并保證下料位置沒有搬運目標(biāo)，這時點擊觸屏上的“循環(huán)作業(yè)”按鍵，并選擇循環(huán)流程（基本流程為：確認(rèn)機(jī)床狀態(tài)→上料搬運→向下料工位移動→放開抓手卸料→回到上料工位），當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)一切條件準(zhǔn)備就緒，可以開始循環(huán)運作后，“許可”指示燈亮起，人工點擊“確認(rèn)”按鍵即可。人工選擇“確認(rèn)”按鍵的同時，“停止”按鍵亮起，如果需要停止點擊即可，點擊后機(jī)器人會停滯于當(dāng)前狀態(tài)，若需要復(fù)位，則可以繼續(xù)點擊“復(fù)位”按鍵；第三，異常后的再啟動，即機(jī)器人帶有斷電保護(hù)功能，如果在運作中遇到了異常會發(fā)出警報，同時進(jìn)行斷電保護(hù)，這時需要再次啟動機(jī)器人，過程中需要先人工確認(rèn)故障是否已經(jīng)被排除，即如果是物理性故障，類似于機(jī)械手臂被其他物體阻擋無法移動，可以通過肉眼去判斷，但如果是系統(tǒng)內(nèi)部故障，如電源異常，就要根據(jù)系統(tǒng)給出的報警信息做判斷，當(dāng)確認(rèn)故障確實被完全排除，可以長按“循環(huán)作業(yè)”按鍵來恢復(fù)系統(tǒng)，同時出于對操作人員安全的考慮，為防止故障反復(fù)下的安全風(fēng)險爆發(fā)，人工長按“循環(huán)作業(yè)”按鍵后要做好按“急?！卑存I的準(zhǔn)備，一旦發(fā)現(xiàn)異常迅速按下該按鍵。

2 三菱PLC單元控制及電氣系統(tǒng)的設(shè)計方法

2.1 單元控制設(shè)計

本文主要選擇了MITUBUSHI（三菱）Q06UDEHCPU系列的PLC，其配有FL-NET、CC-Link通信模塊，其中前者能夠讓PLC與機(jī)床連接，系統(tǒng)中其專門服務(wù)于PLC與機(jī)床通信，而后者則用于電源以外其他所有安全信號的連接，如PLC與所有開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)信號端等。為了實現(xiàn)控制，借助CC-Link實現(xiàn)了PLC與網(wǎng)絡(luò)的連接，而后在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中開發(fā)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有實時、開放、完整的特性，通信延時為0.1s，采用現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場所有信號端集中，再通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號端與控制系統(tǒng)的連接，人工可以在控制終端進(jìn)入系統(tǒng)控制面板，在面板中能夠設(shè)定相關(guān)指令，并且進(jìn)行PLC編程[3]。

PLC編程中本文主要選擇了GX Works2，它是三菱電機(jī)最近推出的PLC編程軟件，應(yīng)用比較簡便，同時與三菱PLC完美契合，不僅可以用于編程開發(fā)，還能進(jìn)行方針測試與調(diào)試[4]。借助GX Works2軟件，本文主要遵從六大原則展開編程設(shè)計：①按照順序執(zhí)行沿著設(shè)計PLC梯形圖，要求程序符合從左至右、從上到下的順序；②PLC線圈輸出方面，必須讓線圈與梯形圖中的左右母線有邏輯聯(lián)系，這樣才能實現(xiàn)邏輯執(zhí)行動作，線圈需要處于左右母線之間；③PLC梯形圖的每一個邏輯程序都必須從左側(cè)母線開始，借助觸點連接，需要在線圈處或右側(cè)母線處接觸，同時這種條件下左側(cè)總線要與線圈保持直接聯(lián)系，而右側(cè)總線不能與線圈存在聯(lián)系；④要根據(jù)現(xiàn)實情況確認(rèn)PLC線圈邏輯輸出次數(shù)，即一般情況下每個PLC程序中只允許使用一次線圈，但特殊情況下需要使用兩次，如PLC程序中存在跳轉(zhuǎn)、步進(jìn)指令，那么在規(guī)則上允許進(jìn)行兩次線圈輸出，設(shè)計中必須區(qū)分具體情況，避免線圈設(shè)計錯誤；⑤PLC梯形圖中的串聯(lián)、并聯(lián)觸點數(shù)量雖然不受限，但必須合理；⑥要根據(jù)實際情況并行輸出兩個或三個PLC線圈。依照以上要點，本文完成了PLC加工單元控制設(shè)計，其主要控制邏輯見表2。

表2 PLC 主要控制邏輯

完成加工單元設(shè)計后需要進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)置，此處同樣借助GX Works2軟件，進(jìn)入其操作界面之后選擇上方的“工程”按鈕，此時會生成新的對話框，在其內(nèi)部點擊“新建工程”，然后選擇控制器類型、PLC機(jī)型、工程類型、程序語言等。一切準(zhǔn)備就緒后，點擊左側(cè)的PLC參數(shù)設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)實要求對定時器時限、模塊同步等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可。值得注意的是，在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中需要重視I/O分配設(shè)置，其設(shè)置結(jié)果直接影響到機(jī)器人運作質(zhì)量，故為了做好I/O分配設(shè)置，設(shè)計人員要嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)則展開工作，規(guī)則具體內(nèi)容見表3。

表3 I/O 分配設(shè)置的具體規(guī)則

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

為支撐PLC機(jī)器人加工單元控制運作，需要對其進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計，其中電氣系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括PLC主站、工業(yè)交換機(jī)（MOXA EDS-205A）、外部人機(jī)界面（GOT2710-VTBD）支路、PLC主站與加工中心支路、PLC與5個遠(yuǎn)程站支路。

3 結(jié)語

綜上，三菱PLC的性能良好、功能齊全，可用于機(jī)器人加工單元控制，但為了發(fā)揮其全部作用，工作人員需要先了解機(jī)器人的特點以及待控制加工單元的具體情況，然后根據(jù)情況展開PLC加工單元控制設(shè)計，生成控制系統(tǒng)即可。另外，在進(jìn)行PLC加工單元控制設(shè)計的同時，要注意電氣系統(tǒng)設(shè)計工作，該項工作雖然簡單，但非常重要。