工業機器人第七軸的硬件設計與實現*

韓金利

(山西機電職業技術學院 數控工程系，山西 長治 046000)

0 引言

隨著“中國制造2025”部署的全面推進，工業機器人作為重點發展的十大領域之一[1]，廣泛應用于現代制造工廠[2]。工業機器人的大規模使用已經成為智能制造的發展趨勢和必然要求，在很多工作站上下料的使用場合，工業機器人手臂運動空間有限，難以滿足要求，這就需要為工業機器人配置一個直線軸，使工業機器人先整體移動到機器人手臂能夠觸及的位置，然后由機器人手臂完成上下料動作。

本文給出了基于ABB公司IRB 120系統的六關節機器人第七軸運動的解決方案，分析了ABB機器人I/O模塊的配置、西門子PLC的伺服軸配置以及其程序設計的思路。

1 總體方案設計

本文采用ABB公司的機器人，該機器人提供了豐富的I/O通信接口，使用DeviceNet總線協議，其外圍連接華太公司的遠程I/O模塊FR8030實現數據通信，而西門子PLC組態數字輸入模塊1221負責接收機器人提供的位置信息與速度信息，PLC以此信息為依據發送速度與方向指令給伺服驅動器，由驅動器負責轉換成電機所需要的電流，進而控制電機運動，以此來控制第七軸的移動位置。機器人第七軸運動方案的總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

本文中ABB控制器XS17接口與華太遠程I/O FR8030總線接口連接，電氣連接示意圖如圖2所示。其中XS17為CAN通信遠程I/O模塊，遠程I/O的輸出模塊FR2108與1221數字輸入模塊相連接，負責接收機器人側發送的位置信號與速度信號，具體I/O接線在此不再贅述。PLC依據接收信號發送脈沖指令給三菱伺服驅動器MR-JE-40A，伺服驅動器控制電機動作，PLC與伺服驅動器電氣連接原理圖如圖3所示。

圖1 機器人第七軸運動方案的總體框圖

圖2 XS17與FR8030電氣連接示意圖

3 ABB控制器通訊板卡配置與I/O配置

3.1 通訊板卡配置

板卡配置步驟如下：

(1) 打開系統總電源，待系統啟動后，將工作方式切換到手動方式。

(2) 點擊示教器屏幕左上角的“ABB主菜單”，在跳出的主頁面中雙擊“控制面板”。

(3) 在控制面板中雙擊“配置”，在I/O頁面中選中“DeviceNet device”，點擊“顯示全部”。

(4) 在“DeviceNet device”頁面中點擊添加，在“使用來自模板的值：”一欄中，點擊下拉按鈕，選擇“DeviceNet Generic device”。

(5) 在跳出的頁面中進行參數設置：參數“name”定義為FR8030;參數“address”設置為11；“Vendor ID”設置為9999；Product Code設置為67；Device Type設置為12；參數“Connection Output Size(bytes)”設置為12字節；參數“Connection Input Size(bytes)”設置為2字節；其他參數選擇默認。

(6) 點擊“確定”完成板卡配置。

圖3 PLC與伺服驅動器電氣連接原理圖

3.2 I/O配置

I/O配置步驟如下：

在I/O頁面中定義I/O信號，點擊頁面底部的“添加”按鈕；參數“name”設置為“DO_0”；參數“Type of Signal”設置為“Digital output”；參數“Assigned to device”設置為FR8030;參數“Device map”設置為0；至此一個輸出信號設置完成。

這里需要說明的是參數“Device map”對應的數字即為遠程I/O模塊上對應I/O點數的序號，0～7對應FR8030第一個輸出模塊FR2108上0～7接口，8～15對應FR8030第二個輸出模塊FR2108上0～7接口，依此類推。

4 PLC I/O組態與伺服運動軸配置

4.1 I/O組態

文中控制器采用CPU 1212C DC/DC/DC，數字輸入模塊采用SM 1221 DI16×24VDC，在設備視圖右側設備概覽中設置輸入地址為“8...9”，其步驟如下：

(1) 在左側項目樹中點擊“設備組態”，在出現的頁面中點擊“設備視圖”，在右側目錄中點擊CPU，點擊相應型號的控制器(CPU 1212C DC/DC/DC),在展開的目錄中拖動訂貨號為“6ES7 212-1AE40-0XB0”的模塊到相應的插槽中，默認為1。

(2) 在屬性對話框中點擊profinet接口(X1)，IP協議中設置IP地址192.168.0.3以及子網掩碼255.255.255.0。

(3) 在右側目錄中點擊DI，點擊相應型號的數字輸入模塊(SM 1221 DI16×24VDC),在展開目錄中拖動訂貨號為“6ES7 221-1BH32-0XB0”的模塊到相應的插槽中，默認為2。

4.2 伺服運動軸配置

本設計中需要使用電機傳遞動力，從而帶動第七軸做直線運動，而TIA Portal軟件中集成了CPU S7-1200的運動控制功能，可以非常方便地實現對步進電機或者伺服電機的控制。在TIA Portal軟件中對工藝對象進行組態，CPU S7-1200就可以使用組態工藝對象來實現CPU與驅動器之間的信息交互，在PLC程序中，可以通過運動控制指令來控制定位軸實現各種動作[3]。

5 系統軟件設計

5.1 ABB關鍵程序設計

本文根據設計需要，定義4個重要信號，分別是ServoPosition、ServoVelocity、ServoHome、ServoArrive。其中，ServoPosition中device mapping設置為0～9、ServoVelocity設置為10～11。關鍵程序流程如圖4所示。圖4中機器人發送給PLC的兩位信號作為速度信號。

圖4 機器人關鍵程序流程圖

5.2 PLC程序設計

本方案中要求直線軸必須首先回到原點位置，當PLC自動存儲原點位置后，以該位置為基準，存儲直線軸的運動位置，回原點完成信號是從Mc_home模塊中的Done中獲取。另外Mc_MoveAbsolute的Execute信號是一個上升沿執行一次，上升沿由SM0.5提供，當目標位置與當前實際位置不同時輸出上升沿信號給Mc_MoveAbsolute模塊。直線軸移動的當前實際位置從ActualPosition變量中獲取，ActualPosition為TO_PositoningAxis類型工藝對象中的變量，PLC程序流程如圖5所示。

6 調試步驟

6.1 PLC控制器程序調試

在TIA Portal軟件中組態設備，編寫梯形圖程序，完畢后,編譯保存項目;然后將程序下載到PLC中，下載步驟如下：

(1) 設置計算機IP地址為192.168.0.8(保證與PLC處于同一網段)。

(2) 點擊“下載”，將顯示“可訪問的設備”對話框。

(3) 從“PG/PC接口類型”下拉列表中選擇接口類型。

(4) 從“PG/PC接口”下拉列表中選擇編程設備/PC的所需接口。

(5) 單擊“開始搜索”按鈕，在搜索表格中顯示可訪問設備。

(6) 選中所需可訪問設備，點擊下載即可。

圖5 PLC程序流程圖

6.2 機器人程序調試

當機器人示教器中的程序編寫完畢后，開始調試程序，調試步驟如下：

(1) 點擊窗口底部的“調試”菜單，在右側跳出的對話框中點擊“PP移至例行程序”，顯示例行程序目錄，選中所需例行程序，點擊“確認”即可。

(2) 在跳出的例行程序窗口中，再點擊“調試”，在右側跳出的對話框中點擊“PP移至光標”。

(3) 按“單步前進”按鈕，即可驗證程序運行。

7 結束語

本文介紹了ABB機器人通信板卡的配置過程，給出了工業機器人第七軸運動的硬件設計方案，深刻詳述了PLC控制器與步進驅動之間的關系、S7-1200 PLC與數字輸入模塊1221之間的關系，給出了調試程序的具體步驟，并在實驗中得到驗證，對今后的教學工作與科研工作有很大的借鑒意義。