基于PLC直角坐標式機器人控制系統(tǒng)的設計

陳彥宇，田東莊，許翠華，周　春，黃　煌

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0　引言

傳統(tǒng)制造企業(yè)在轉型升級過程中，為了提高市場響應速度、降低用人成本，越來越重視自動化、柔性化生產。柔性生產線和自動化加工設備已成為制造企業(yè)的首選。在大批量加工時，機器人逐漸替代工人完成數(shù)控機床上下料等任務。機器人的大量使用，可將人從重復、無聊和危險性高的工作中解放出來[1-3]。在機床上下料系統(tǒng)中，直角坐標式機器人因其具有結構簡單、控制方便、成本低的特點而被廣泛應用。此外，直角坐標式機器人能夠實現(xiàn)搬運過程中物料的自動抓取、搬移和翻轉等操作，具有行程大、承載能力強和運行平穩(wěn)等特點，可用于惡劣和危險的工作環(huán)境，并且能夠提高工件質量和生產效率[4]。

目前，直角坐標式機器人控制器主要包括運動控制器和可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)。運動控制器主要依靠運動控制卡實現(xiàn)對運動軸的精確控制。以運動控制器為核心的機器人控制系統(tǒng)，其主要特點是上、下位關系清晰，但系統(tǒng)功能冗余、價格昂貴和可擴展能力差[5-6]。PLC作為機器人控制器，不僅能滿足位置控制和重復定位精度等要求，而且所構建的控制系統(tǒng)結構精簡、穩(wěn)定性好、可擴展性高。對于要同時實現(xiàn)其他機器控制功能的系統(tǒng)而言，將機器人控制集成到PLC中可能是一個更明智的選擇[7]。

1　鉆桿搬運系統(tǒng)

1.1　系統(tǒng)簡介

葉片焊接是螺旋鉆桿生產過程中的關鍵工序，將直接決定鉆桿質量的優(yōu)劣。焊接前，需將鉆桿從上料箱搬運到焊接工位；焊接后，將鉆桿搬運至補焊工位進行手工補焊，并送回下料箱進入下道工序加工[8]。由于鉆桿本身較為沉重，人工搬運費時費力且存在安全隱患。因此，設計了直角坐標式機器人鉆桿搬運系統(tǒng)，用于螺旋鉆桿焊接前后的自動上下料。

該搬運系統(tǒng)的機械部分由直角坐標式機器人、補焊工裝、上料箱和下料箱等部件組成。機器人采用龍門式結構，并以伺服電機作為各運動軸的動力源。

鉆桿搬運系統(tǒng)工藝流程如下。機器人將工件從上料箱搬運到上料位，經運輸小車將工件運輸?shù)胶附庸ぷ魇疫M行焊接。焊接完畢后，運輸小車將工件運輸?shù)较铝衔唬瑱C器人將工件從下料位搬運到周轉區(qū)。補焊工裝發(fā)出需求工件信號，機器人將周轉區(qū)的工件搬運到補焊工裝。補焊結束后，再將工件搬運到下料箱。直角坐標式機器人鉆桿搬運系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1　直角坐標式機器人鉆桿搬運系統(tǒng)布局圖Fig.1　The layout of truss robot drill pipe handling system

1.2　系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)控制要求如下：①能夠滿足機器人三軸協(xié)調控制，使機器人能夠高效、穩(wěn)定地完成抓取、提升、送料、下降等動作；②實現(xiàn)自動返回原點、各軸單動、連續(xù)工作等操控方式；③通過人機界面，進行生產參數(shù)設定；④具備運行狀態(tài)監(jiān)測和異常狀況報警等功能。在此基礎上，控制系統(tǒng)應使機器人具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復定位精度[9-10]。

2　控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2　Hardware structure of the control system

機器人控制系統(tǒng)硬件部分主要由下位機、上位機和執(zhí)行機構等組成。下位機是整個控制系統(tǒng)的“大腦”，是核心硬件之一。機器人搬運系統(tǒng)屬于運動控制系統(tǒng)，下位機選用西門子S7-1217C可編程控制器。該控制器可輸出4組高速脈沖，能夠滿足現(xiàn)場需求。

上位機主要用于系統(tǒng)參數(shù)設定及運行可視化監(jiān)控等。控制系統(tǒng)在實際作業(yè)時，由操作人員借助上位機實現(xiàn)PLC和系統(tǒng)操作人員之間的信息溝通。人機界面能夠顯示PLC的I/O狀態(tài)以及現(xiàn)場作業(yè)的各種信息，并能接收系統(tǒng)操作員的指令以及系統(tǒng)參數(shù)設定。上位機采用西門子KTP精簡系列觸摸屏。該觸摸屏可滿足現(xiàn)場需求。

直角坐標式機器人執(zhí)行及檢測機構主要包括伺服電機、電磁鐵、電磁閥、傳感器等設備。PLC通過遠程I/O模塊與機器人執(zhí)行機構以及現(xiàn)場其他設備實現(xiàn)連接，并向機器人和其他設備發(fā)出作業(yè)指令，控制其動作；然后，通過遠程I/O模塊將機器人的作業(yè)狀態(tài)實時回傳至PLC。

系統(tǒng)進行搬運作業(yè)時，PLC首先通過與伺服電機驅動器相連接的脈沖I/O口，向驅動器發(fā)送脈沖信號，以控制伺服電機的運行和停止、正轉和反轉。與PLC相連接的上位機人機界面顯示機器人的實時運行狀態(tài)，以便操作人員查看機器人運行狀況。

3　控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計在實現(xiàn)直角坐標式機器人的功能和性能方面具有舉足輕重的作用。其總體目標是將需要實現(xiàn)的各種功能有序地組織起來，使系統(tǒng)具有較高的工作效率、操作性、靈活性和可靠性[11-12]。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，基于PLC直角坐標式機器人控制系統(tǒng)的軟件架構如圖3所示。該系統(tǒng)分為手動和自動兩種控制方式。

圖3　控制系統(tǒng)軟件架構圖Fig.3　Software architecture of the control system

3.1　核心功能設計

(1)生產參數(shù)設定。

生產參數(shù)設定是設定工件規(guī)格，主要包括工件直徑和長度，通過觸摸屏進行設定。PLC讀取由觸摸屏設定的工件規(guī)格參數(shù)，并將其傳遞給公用計算地址。生產參數(shù)設定流程如圖4所示。

圖4　生產參數(shù)設定流程圖Fig.4　Flowchart of production parameters setting

(2)運動路徑規(guī)劃。

運動路徑規(guī)劃包括工件空間位置計算和運動控制。

①工件空間位置計算。

工件空間位置計算是計算上料箱和下料箱(以下簡稱料箱)里的每根鉆桿在機器人坐標系的具體空間位置。計算思路為：料箱里，每層鉆桿的數(shù)量相等；忽略鉆桿長度影響，用二維坐標即可確定鉆桿在料箱中的位置；根據(jù)二維坐標，確定鉆桿在機器人坐標系的具體空間位置。料箱坐標如圖5所示。

圖5　料箱坐標示意圖Fig.5　Coordinates of material bin

工件空間位置具體計算方法如下：設橫向鉆桿數(shù)量為X軸、縱向鉆桿層數(shù)為Y軸，以料箱中左下角第一層第一列鉆桿圓心為坐標原點。先計算鉆桿在料箱的坐標位置，然后通過坐標位置計算鉆桿在料箱里的實際位置，最后將料箱坐標系轉換為機器人空間坐標系，進而確定料箱里的每根鉆桿在機器人坐標系的具體空間位置。以上料過程為例，具體計算過程如下。

設每層鉆桿放置數(shù)量為N0上，上料箱鉆桿總數(shù)量為N上，則上料箱坐標計算公式如下：

式中：S上為商；D上為余數(shù)。

通過判斷D上是否為0，確定當前上料箱鉆桿為滿層或半層狀態(tài)，從而確定抓取鉆桿的坐標值。上料坐標計算邏輯如圖6所示。

圖6　上料坐標計算邏輯圖Fig.6　Calculation logic of feeding coordinates

將上料坐標值轉換為鉆桿實際所在的位置值，使得直角坐標式機器人能準確定位并抓取鉆桿。上料位置示意圖如圖7所示。其中，料箱里相鄰兩個鉆桿之間必須有一定間隙。

圖7　上料位置示意圖Fig.7　Feeding position

將上料坐標值轉換為上料位置值：

經料箱坐標系與機器人坐標系的轉換，即可得料箱里每根鉆桿在機器人空間坐標系里的具體空間位置。

②運動控制。

運動控制是規(guī)劃各軸先后運動順序及手爪動作時間，可避免直角坐標式機器人與周邊設備發(fā)生碰撞。機器人完成一次搬運工件分為取料和放料這2個過程。當機器人執(zhí)行取料和放料過程任務時，各軸運動順序均為X軸、Y軸、Z軸。機器人執(zhí)行完任務之后，Z軸回原點，其他兩軸停留到最后一次動作完成位置。以取料過程為例，機器人各軸及手爪運動控制流程如圖8所示。

圖8　運動控制流程圖Fig.8　The motion control flowchart

3.2　人機界面程序

在人機界面中，系統(tǒng)主操作盤可根據(jù)系統(tǒng)手動、自動工作方式的要求進行切換。觸摸屏顯示系統(tǒng)當前的工作方式、直角坐標式機器人手動控制頁面、生產設定、故障診斷、上下料箱工件信息等。主要界面如下。

①系統(tǒng)狀態(tài)：顯示系統(tǒng)當前的操作狀態(tài)。

②生產設定：設定當前要生產工件規(guī)格、長度和工件總數(shù)量等。

③機器人狀態(tài)：顯示機器人狀態(tài)。

④上下料箱工件信息：顯示當前上料箱工件剩余數(shù)量和下料箱現(xiàn)有工件數(shù)量等。

⑤機器人手動控制：機器人各軸手動控制界面。

⑥報警處理：報警信息顯示與處理。

4　結束語

與常見的直角坐標式機器人控制系統(tǒng)相比，以西

門子S7-1217C PLC為控制器的直角坐標式機器人控制系統(tǒng)具有如下特點。第一，根據(jù)現(xiàn)場工作需要，設計了自動和手動工作模式，控制系統(tǒng)結構緊湊，開發(fā)周期短，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可拓展性高。第二，控制系統(tǒng)既可以完成對現(xiàn)場I/O量的采集和控制，也可以通過自身發(fā)出高速脈沖控制伺服電機，完成對直角坐標式機器人的運動控制，機器人重復定位精度較高。第三，人機界面簡單，操作方便，能夠對直角坐標式機器人和其他設備進行實時監(jiān)控。綜上可知，以PLC為控制器的直角坐標式機器人能夠滿足現(xiàn)場需求，具有廣闊的市場應用前景。

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