基于觸摸屏的機床上下料機器人控制系統的設計

丁華鋒，靳開軒，賀冬冬，劉婧芳

（1.北京工業大學 機電學院，北京 100201；2.馬鞍山市安工大工業技術研究院，馬鞍山 243000）

基于觸摸屏的機床上下料機器人控制系統的設計

丁華鋒1，靳開軒1，賀冬冬2，劉婧芳1

（1.北京工業大學 機電學院，北京 100201；2.馬鞍山市安工大工業技術研究院，馬鞍山 243000）

以機床上下料機器人代替傳統手工搬運，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，可節約操作空間，方便調整面板屬性。介紹了機床上下料機器人的工作原理，設計了送料規則，制定了控制準則，利用觸摸屏設計軟件及PLC編程軟件，設計了觸摸屏文件，編輯了PLC程序，最后進行了仿真模擬，實現了以觸摸屏控制機床上下料機器人送料的功能。

上下料；機器人；PLC；觸摸屏

0　引言

機床上下料作為專用機器人，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］。自動化生產線是依照所設定的工藝過程，將生產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、自動控制和連續生產［2］。機床上下料機器人適用于機床、生產線的上下料、工件移位翻轉、工件轉序等，主要針對圓盤類、長軸類、不規則形狀、金屬板類等工件，在工業自動化中得到廣泛的應用［3～5］。

傳統的機床上下料機器人，由操作面板控制，文獻［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，操作面板無法更改，一旦軟件更新，須重新制作面板。本文設計的控制軟件，以觸摸屏控制，不僅節約操作空間，并可調整面板屬性。以四自由度機床上下料機器人為準，以EB Pro和WPLSoft為輔助軟件，設計智能控制軟件，EB Pro是威綸公司開發的人機界面軟件，用于觸摸屏的設計；WPLSoft是臺達電子開發的編程軟件，用于PLC的編程。

1　機床上下料機器人簡介

機床上下料機器人由三部分組成，第一部分由一號電機控制，沿z軸移動；第二部分是旋轉臂，由二號電機控制，繞二號電機轉動；第三部分由三號電機控制，沿x軸移動，如圖1所示。

圖1　機床上下料機器人機構簡圖

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

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

圖2　機床上下料機器人俯視簡圖

當（x，y，z）已知時：

或：

其中，0≤s≤160，當根據上述公式計算出來的s不在［0，160］區間內時，舍去該解，當兩個解所得s均不在［0，160］中時，該位形不存在。

2　機床上下料機器人智能控制軟件設計方法

2.1軟件開發的整體思路

根據機床上下料機器人的機械結構，設計出其控制規則和運動動作，從而設計人機界面，編制梯形圖，將人機界面導入觸摸屏中，梯形圖導入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根據后臺程序控制電機發送脈沖，控制電機的運動，最終實現機床上下料機器人的搬運工作，如圖3所示。

圖3　整體思路

2.2EB Pro設計方法

2.2.1EB Pro界面設計思路

系統界面的邏輯決定整個軟件的開發流程，系統界面可分為登錄界面、主菜單、手動控制模式、坐標控制模式、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登錄界面的設計

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

圖4　界面設計思路

2.2.3主菜單的設計

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

2.2.4手動控制模式的設計

手動控制模式中，用戶可手動調節電機運動，實時看到當前各關節的位移或角位移情況，根據這些位置，確定送料模式的貨物位置和目的地的坐標，選擇返回原點后，返回原點指示燈將亮，提示用戶機器人正在返回原點，并且其他按鍵均會失效，直到各關節均到達原點后，用戶才可進行其他操作。

2.2.5坐標控制模式的設計

坐標控制模式中，用戶輸入一、三關節的位移及二關節的角位移，選擇開始移動，機器人各關節將移動至輸入位置，移動指示燈亮，提示用戶機器人正在移動，其他按鍵均會失效，待各關節到達目標點后，用戶才可進行其他操作。

2.2.6送料模式的設計

送料模式中，輸入貨物位置及目的地位置，實現機器人連續送料。用戶進入該界面后，輸入貨物位置和目的地位置，若機器人各關節未處于原點位置，用戶選擇返回原點，待各關節返回原點后，開始送料鍵才可生效。選擇開始送料，機器人連續送料，送料燈亮，用戶可根據實際需求，調節速度快慢，速度越快，機器會抖動幅度越大，用戶須調節加速度時間，時間越長，抖動的幅度越小，但加速度時間不宜過長，有可能會導致速度過大，使得電機過載。送料過程中，除速度加速度調節及停止送料按鈕外，其他按鍵均會失效，用戶選擇停止送料后，機器人會立即停止送料，用戶方可進行其他操作。

2.2.7查看登錄歷史模式的設計

該模式下，用戶可以查看本臺機器的登錄情況。

2.2.8修改密碼界面設置

該模式下，用戶可以根據需要修改密碼，保障系統安全。如圖5所示。

圖5　觸摸屏各界面設計

2.3PLC梯形圖程序設計

2.3.1PLC梯形圖程序設計思路

三臺電機依靠PLC向電機發送脈沖運動，脈沖的發送速度與電機的轉速成正比，利用PLC中的計時功能，以電機轉動的時間與轉速相乘，計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器人運動；利用接近開關，將機器人限制在安全的工作區域里，并且確定其工作原點；利用PLC中的附加減速脈沖指令，調節機器人的加減速時間，使機器人運動平穩。

2.3.2抱閘與使能控制程序設計

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

2.3.3手動模式程序設計

手動模式中，由于電機運轉較慢，同時為了確保精確計算位置信息，采取脈沖輸出指令控制脈沖發送，當按下箭頭按鈕時，相應的歸復型開關置on，脈沖發送，電機轉動，同時計時器打開，記錄按下箭頭的時間，當松開按鈕時，脈沖停止發送，電機停止轉動，相應計時器開關下跳沿觸發，時間存入位置信息中。

2.3.4坐標模式程序設計

坐標模式中，當用戶輸入目標點，選擇開始移動，目標點的位置信息存入PLC中，計算各電機發送的脈沖數，2s后三臺電機同時運動，直到末端移動至目標點為止。若目標點無法到達，電機繼續向目標點運動，直到各關節觸碰到接近開關為止。

2.3.5自動送料模式程序設計

自動送料模式中，由于電機運轉速度較快，采取附加減速脈沖輸出指令。用戶輸入貨物位置和目標點，選擇開始送料，貨物位置和目標點將存入PLC中，并計算各電機每個動作的輸出脈沖數，2s后開始送料。該模式中用到了系統特殊寄存器M1029、M1030、M1036，分別在一、二、三號電機脈沖輸出完畢后產生一個上跳沿脈沖控制下一個動作的進行，用戶可調節電機的速度和加速度，將電機脈沖輸出頻率和加減速時間存入D寄存器中，每當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，電機每次運動的加減速時間增加或減少10ms。

2.3.6回零程序設計

回零程序是鑲嵌在手動控制模式、坐標控制模式、自動送料模式中的一套程序，用戶選擇返回原點，2s后，機器人開始回零，由于回零過程速度較緩，并且PLC所發脈沖數為無窮大，故采取脈沖輸出指令控制，當各關節觸碰到回零接近開關時，回零完成。

2.3.7剎車程序設計

當有關節處于接近開關附近時，接近開關所連的觸點置on，當離開接近開關的某個范圍時，觸點置off，在實際生產工作中，如果某關節處于高速運動，運動至接近開關附近，此時關節突然停止運動，很可能產生劇烈震動將關節點震出該范圍，那么接近開關置off，關節將繼續運動，很可能脫離安全區域，造成嚴重后果。需要設計一個剎車程序，即當關節運動到接近開關附近時，上跳沿使得輔助寄存器M214置on，同時開始計時2s，在這2s內，無論接近開關的觸點是否置為off，M214將一直處于on狀態，阻止PLC向電機發送脈沖，2s后，且接近開關的下跳沿出發時，M214才會置off，這樣就能保證無論關節是否震出接近開關的感應范圍，仍會停止運動。

3　仿真調試

3.1打開或關閉抱閘使能的調試

打開機器進入登錄界面，進入主菜單中，查看電機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閉情況及關閉順序，如圖7所示。

圖7　關閉使能和抱閘

3.2返回原點與手動模式的調試

進入手動控制模式，選擇返回原點，查看各關節運動狀態，是否能夠回零，如圖8所示。

圖8　返回原點調試

之后調節各方向鍵，查看各關節能否按正確方向運動，并查看坐標變化狀態，如圖9所示。

圖9　手動模式調試

3.3坐標模式的調試

進入坐標控制模式，查看當前坐標是否正確，輸入坐標，查看各關節運動狀態，是否能夠運動至所輸入的坐標點，如圖10所示。

3.4自動送料模式的調試

進入自動送料模式，輸入貨物位置與目的地坐標，選擇返回原點，待機器人回零后，選擇開始送料，查看機器人各關節的運動情況，同時選擇加速和減速按鈕，查看機器人的運動速率變化，當關節產生抖動時，調節加速度按鈕，查看機器人加速度變化情況，關節抖動幅度是否減小，不斷調節加速與加速度按鈕，使得機器人最高轉速至3000r/min，之后選擇停止送料，看機器人是否立即停止送料，如圖11所示。

圖10　坐標模式調試

圖11　送料模式調試

3.5查看歷史登錄與密碼修改模式的調試

進入查看歷史登錄模式，查看登錄狀態，再返回主菜單，進入密碼修改模式修改密碼，看相應功能能否實現，如圖12所示。

圖12　歷史登錄與密碼修改模式調試

4　結論

1）本課題完成了機床上下料機器人智能控制軟件的開發工作，包括界面的開發及后臺程序的開發，實現了三種模式下控制機器人運動：手動模式、坐標控制模式、自動送料模式，手動模式下用戶通過按鍵的方式，調節機器人走動；坐標控制模式下，用戶輸入坐標，實現機器人的運動；自動送料模式下，用戶輸入送料的貨物位置及目的地，實現機器人周期送料，用戶也可調節機器人的送料速度，找到最合適的送料狀態。

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

3）本課題進行了仿真調試，客觀明了地展示了該軟件的所有功能，為以后的機床上下料機器人軟件發展奠定一定基礎。

［1］ 邊弘曄，李學威，管莉娜，馬壯.基于SolidWorks Simulation的機床上下料專用機器人結構優化［J］.制造業自動化，2016，04:63-65.

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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

國家自然科學基金項目（51475015）

丁華鋒（1977 -），男，湖北荊門人，教授，博士后，研究方向為復雜機械運動學、動力學和控制、數字樣機與虛擬現實、機電一體化技術、新型機械裝備創新設計。