基于PLC的四軸搬運機械手實驗裝置的研究

范芳蕾，余宏濤，張克義，章國慶

（東華理工大學江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心，江西 南昌330013）

基于PLC的四軸搬運機械手實驗裝置的研究

范芳蕾，余宏濤，張克義，章國慶

（東華理工大學江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心，江西 南昌330013）

基于Dobot機械臂設計原理確定結構尺寸，結合PLC實現控制系統設計，完成四軸搬運機械手實驗裝置的研制。該裝置控制系統采用大工計控MAC1610運動控制器，控制四個步進電機，完成搬運功能。同時采用觸摸屏作為人機交互設備，對各關節進行調試，根據記錄的各關節的位置，完成示教再現功能。機械手結構緊湊，控制系統程序設計簡潔、界面友好。

四軸搬運機械手；PLC；人機交互；控制系統；示教再現

隨著工業自動化程度的提高，機械手被廣泛應用于機械制造、冶金、汽車、電子、輕工等行業[1]。作為最常見的機械手，搬運機械手可以在高危險、高污染、高溫度、高輻射等環境中代替人手完成零件的抓取、搬運、放置等工作，將工人從繁重的體力勞動中解放出來[2]。本文研制開發一小型四軸搬運機械手實驗裝置，采用PLC控制、組態監控，為搬運機械手的運動提供了一個仿真的工業環境，通過軟件控制代替硬接線控制，以軟件編程完成搬運機械手運動過程的動作修改和控制，在一定程度上提高了搬運機械手系統的靈活性[3]。該系統具有成本低、易于集成、操作方便等優點。

圖1 四軸搬運機械手結構圖

1 搬運機械手結構設計

機械手要實現按照給定程序或要求，部分替代人的手工勞動，自動完成物料搬運，結構上四自由度基本上能滿足工業需求。本文依據三自由度Dobot機器臂作為機械手的本體結構，根據實驗要求確定結構尺寸，并在其末端執行器支架上增加腕部旋轉關節，完成本體加工制作，使之達到四自由度的要求。Dobot機器臂的末端執行器支架始終保持與水平面平行，特別適合搬運作業[4]。小型四軸搬運機械手及其PLC控制系統如圖1所示。為簡化系統結構，提高搬運機械手的通用性，并綜合分析小件的尺寸和重量要求，選用Parker ESG1-SS-2815型電動夾持器作為末端執行器。

2 控制系統硬件設計

2.1 控制系統設計要求

（1）具備手動示教和自動運行兩種工作模式。在手動示教模式下，可分別控制各關節運動，并記錄控制點位信息。在自動運行模式下，按照手動示教記錄的點位信息，機械手各關節依次運動到指定點位，完成預定軌跡。在完成搬運工作后，按預定軌跡返程。

（2）在搬運和復位過程中，可預設運動速度，提高工作效率。

（3）控制系統具備工件到位自動檢測功能。

2.2 控制系統的硬件設計

（1）控制系統硬件構成

控制系統采用上位機（觸摸屏）和下位機（PLC）的兩級控制結構，上位機完成主要控制參數設定、功能按鈕控制等功能，力求人機交互界面簡介直觀、操作靈活。PLC作為下位機控制系統核心，接收上位機的控制信息，實現對各執行元器件的控制。機械手的控制系統主要有PLC控制器、位置傳感器（光電開關、接近開關）、觸摸屏、開關電源、步進電機及其驅動器組成。

（2）PLC和觸摸屏的選取

分析搬運機械手控制系統的組成，確定系統所需的I/O端口的數量和類型等要求，同時按照I/O端口20%～30%的備用原則[5]，選用大工計控MAC1610運動主控器作為主控制器。該控制器擁有23路輸入，包含8路高速計數，最大1 MHz，16路高速脈沖輸出，最大500 kHz.MAC1610除了支持基本的邏輯控制指令外，可以實現8個實軸+4個虛軸的高精度定位控制和4個軸組的多軸同步運動控制[6]。

觸摸屏作為人機交互界面，可以設置機械手運動參數、運行方式，并完成手動示教。本文選用威倫TK6070ik觸摸屏開發人機交互界面。觸摸屏與PLC之間采用RS485通訊，波特率11 5200 Hz.

3 控制程序設計

控制系統程序主要包括示教程序和自動運行程序。示教程序通過上位機控制機械手點動到達控制點位，通過一系列的控制點位實現機械手按照一定的軌跡運動。示教完成后，自動運行程序先回零，然后按照控制點位的順序運動，完成指定的搬運動作，再反向復位，如此循環往復。控制程序的流程圖如圖2所示，程序設計主要包括觸摸屏人機界面設計和PLC程序設計兩部分。

圖2 控制系統程序流程圖

3.1 觸摸屏程序設計

利用臺灣威綸科技公司開發的新一代人機界面軟件EasyBuilder8000完成人機界面的設計，該平臺適用于MT8000和MT6000系列所有型號的產品[7]。根據控制系統的要求，設計的人機交互界面如圖3所示。觸摸屏通過Modbus RTU協議與PLC進行通訊，人機交互界面中各控制元件及其Modbus地址如表1所列。

表1 控制元件Modbus地址

在圖3所示的人機交互界面上可以完成機械手控制系統的所有操作。軸0～軸4的絕對位移通過絕對位移輸入框直接輸入，軸的運動方向由輸入數值的正負控制。同時在輸入框兩側增加了微調按鈕，方便對輸入量進行調整。位移輸入完成設定運動速度，單擊“點動”按鈕可以觀察機械手的運動過程。執行點動操作后選擇搬運過程中的控制點位，其對應的各軸位移可以通過“寫入數據”命令添加到控制點位數據表中，“點位個數”顯示當前控制點位數目。對于有誤的控制點位數據可以通過“刪除數據”命令予以剔除。執行“復位”操作，機械手以給定速度回零。在示教完成后點擊“自動運行”按鈕機械手自動回零后按照控制點位數據表中的數據進入循環往復運行，執行搬運動作。

圖3 人機交互界面

3.2 PLC程序設計

MAC1610支持符合PLCopen標準的單軸、多軸、軸組三大類運動控制指令，每個運動控制功能模塊都以IEC 61131語言中的功能塊語言存在[8]。這種由功能塊語言定義的運動控制模塊，較傳統的PLC編程語言弱化了對編程語言的依賴性，使得編程人員能夠把工作重心放在應用開發或解決問題上，提高了用戶運動控制程序開發和維護的效率。此外，功能塊語言采用圖形化編程，程序設計簡單，具有較高的直觀性、易操作性以及可讀性[9]。PLCopen絕對定位指令如圖4所示。

圖4 絕對定位指令

該指令通過M0.0（點動按鈕）使能，控制軸0運動當前位置運動到VD120指定的絕對位置，運動速度通過VD110控制。指令執行完成后，M0.01置位。

為了實現示教再現功能，程序為每個軸分配了絕對位移變量（VD120-VD136），并建立了兩個數據指針（VD104、VD108）和一個控制點位數據表（首地址為VD200）。指針VD104用來在執行“寫入數據”或“刪除數據”命令時對控制點位數據表進行寫入或刪除操作。指針VD108用于在自動運行過程中查表，讀取控制點位數據表中的各軸數據信息，并賦值給相應軸的絕對位移變量地址，如圖5所示。

圖5 建立數據指針

執行“自動運行”命令，指針VD108讀取控制點位數據表各軸的絕對位移信息，控制各軸按照示教軌跡運動。通過實驗，設計的PLC控制系統能夠較好的跟蹤示教點位軌跡，完成再現功能。

3.3 實驗效果驗證

利用開發的機械手進行尼龍棒料2工位180°往復搬運實驗。機械手回零后，通過觸摸屏手動調整到起點位置，然后手動示教往復搬運動作，選取6個控制點位并存儲各關節的絕對地址。點擊“自動運行”按鈕，機械手按照示教點位往復運動。實驗過程中，通過上位機編程軟件監控機械手的運動過程。實驗表明，開發的機械手具有較好的重復性，基本上滿足小型物料的自動搬運功能。

4 結語

采用MAC1610運動控制器實現小型搬運機械手實驗裝置控制系統設計。上位機采用觸摸屏實現對機械手各軸的參數輸入和點動控制，通過建立控制點位數據表，實現了機械手的示教再現功能。該系統操作簡單、成本低、易于維護和集成，可應用于高校自動化實驗裝置開發和集成，同時對開發基于PLC控制的工業搬運機械手有一定的實踐指導意義。

[1]代 婷，黃 超，王成志.雙臂吊裝機械手機構設計[J].機械設計與制造，2015（3）：159-162.

[2]周 鵬.搬運機械手的設計與實現[J].自動化與儀表，2017，32（6）：65-67.

[3]呂棟騰.基于PLC控制的搬運機械手設計[J].制造裝備技術，2014（10）：168-169，172.

[4]趙智勇，王冬青.Dobot機器人運動學分析和建模仿真[J].青島大學學報（工程技術版），2017，32（1）：52-57.

[5]李海芹，姜印平，翟 陽，等.基于 S7-200 SMART PLC的智能藥品包裝機的控制設計[J].制造業自動化，2013，35（10）：47-50.

[6]大工計控.MAC系列可編程控制器使用手冊[Z].

[7]威綸EB8000軟件使用手冊[Z].臺灣：臺灣威綸公司，2011.[8]Eelco V D W.PLCopen[J].IEEE Industrial Electronics Mag azine，2006，3（4）：25.

[9]王 翰，宋 寶，唐小琦.基于PLCopen的運動控制系統的設計[J].新型工業化，2013，3（8）：68-73.

Research of Four axial Carrying Manipulator’s Experimental Device base on PLC Control System

FAN Fang-lei，YU Hong-tao，ZHANG Ke-yi，ZHANG Guo-qing
（Jiangxi Province Engineering Research Center of New Energy Technology and Equipment，East China Unive rsity of Technology，Nanchang Jiangxi 330013，China）

Based on Dobot arm design principle，main structure dimension is determined and then a four-axis carrying manipulator with PLC control system is developed.MAC1610 motion controller produced by DCCE is selected to control four stepper motors and then fulfill carrying function.Simultaneously，every joint can be debugged respectively by using human-machine interface，and according to the absolute address which is record in advance，the teaching and playback function is realized.The structure of the carrying manipulator is compact，and control system is concise and its interface is friendly.

four-axis carrying manipulator；PLC；human-machine interface；control system；teaching and playback

TP241.2

A

1672-545X（2017）10-0080-04

2017-07-08

江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心開放基金（JXNE2014-04）；江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ160581）

范芳蕾（1984-），女，江西撫州人，工程師，碩士，研究方向：機械系統故障診斷與測試，機械設計。