基于PLC控制的多自由度串聯機器人系統研究

韓天禹，蘇曉峰，張 津，羅英丞，陸光亮

（西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710055）

工業機器人作為機電一體化的高新技術，在工業領域得到了廣泛應用，對提高生產效率、保證生產質量、增加經濟效益、改善生活方式起到了一定的作用[1]。現如今，基于PLC控制的工業機器人已被廣泛應用到工業生產的各個領域，并成為衡量企業自動化水平的重要標志之一[2]?；赑LC控制的工業機器人具有編程容易、性能穩定、抗干擾能力強、可聯網等優點，越來越多的被應用到工業現場自動控制中。

本系統包含硬件與軟件兩個部分。硬件部分，基于西門子S7-200和PEC-6600主控制器，采用伺服電機與步進電機作為串聯機器人的運動驅動，其中，伺服電機用來控制2軸，步進電機用來控制1、3、4、5、6 軸。 軟件部分，分別采用 Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config編程軟件，進行串聯機器人控制程序的開發與調試。

1 控制系統的網絡結構

多自由度串聯機器人系統的控制結構如圖1所示。控制系統分為3層，上層為PC機編程調試及監控層，其主要功能是對控制PLC進行編程與調試，以控制機器人各軸的運動位置和狀態。另外，在PC機上安裝工業組態軟件，可對系統進行實時監控。中間層為PLC控制層，是整個控制系統的核心，系統分2種類型的PLC，西門子S7-200 PLC和國產PEC6600，兩者的控制對象有所不同，西門子S7-200 PLC作為主站，主要用于多自由機器人復位、示教、再現等的整體自動控制，PEC6600作為2個從站，分別用于機器人1～4軸和5～6軸運動的單軸手動控制。底層為PLC的控制對象，主要包括驅動機器人系統各軸運動的步進、伺服電機及其驅動器，另外還包括組成系統的開關按鈕、指示燈、各軸限位開關等。

圖1 控制系統網絡結構Fig.1 Control system network structure

2 控制系統硬件設計

多自由度串聯機器人控制系統的核心設備主要是主控制器PLC，驅動機器人本體軸運動的伺服、步進電機及其驅動器。

主控制器PLC：根據控制要求和經濟性原則，系統選用2種類型的PLC作為主控制器，分別為西門子 S7-200（CPU224XP CN）和國產大工計控PLC PEC6600，西門子 S7-200（CPU224XP CN）包含14路數字量輸入和10路數字量輸出，其主要用于多自由度機器人系統復位、示教、再現的自動控制。國產大工計控PLC PEC6600是一款 4軸運動控制器，通過它輸出的4路高速脈沖可實現多自由度機器人各軸運動速度與位置的精確控制。

伺服電機及其驅動器：根據機器人運動控制的特點，采用伺服和步進2種類型的電機作為多自由度串聯機器人軸的運動驅動。設計過程中，考慮到機器人二軸運動過程中受到的力矩最大，故采用伺服電機，其它5軸均采用步進電機。二軸伺服電機及其驅動器的型號分別為松下MSMD5AZG1U和MADKT1505CA1，其搭配具有流暢的高速響應及追蹤性能，且在運轉過程中能耗較低[3]。機器人其它5軸選用上海四宏電機公司生產的小型混合式步進電機，根據電機型號的不同，分別搭配AKS202A與AKS230高性能細分驅動器，其具有體積小、性價比高、控制精準且無累計誤差等優勢[4]。

3 控制系統軟件設計

3.1 控制系統功能

基于PLC控制的多自由度串聯機器人所要實現的功能主要包括：①系統點動控制：可手動控制多自由度串聯機器人各軸的運動；②系統復位：在系統啟動與運行過程中能進行自動復位；③系統運動記錄與再現：手動操作機器人，系統能夠按步記錄機器人的運動狀態信息，并可自動再現運動過程；④系統順序控制：根據不同功能要求，通過編程實現多自由度串聯機器人的順序控制。

3.2 I/O地址分配

根據多自由度串聯機器人系統所要實現的功能要求，結合控制PLC的選型，在進行系統編程之前，對主、從站控制PLC進行I/O地址分配和定義，如表1所示。主站PLC的輸入包括系統復位、示教、記錄、再現等，輸出則是系統各輸入狀態信號的反饋。從站輸入主要是機器人單軸的手動控制和限位信號，輸出則是控制軸運動的脈沖及其方向信號。

3.3 PLC之間的數據通信

編程過程中，首先需要建立主、從站的數據通信緩沖區，用于主從站之間的數據交換，如圖2所示。其中，V4與V14分別為從站1-4軸與5-6軸的數據輸出緩沖區，V600與V610分別為主站1-4軸與5-6軸的數據輸入緩沖區；V300與V310分別為主站1-4軸與5-6軸的數據輸出緩沖區，V0與V10分別為從站1-4軸與5-6軸的數據輸入緩沖區。

表1 PLC控制I/O地址分配表Tab.1 PLC control I/O address assignment

圖2 PLC主從站之間的數據通信示意Fig.2 Schematic diagram of data communication between PLC master and slave stations

3.4 程序流程設計

根據多自由度串聯機器人系統功能要求，可知其控制系統程序分為1個主程序和復位、示教、再現3個子程序。主程序主要完成機器人系統上電初始化、單軸手動操作及系統復位、示教、再現3個子程序的調用。

多自由度串聯機器人系統的主程序設計流程如圖3所示。程序執行時，系統先進行上電初始化。初始化過程主要完成PLC主站與從站之間的聯機通信和參數設置。然后判斷系統是否伺服電機報警或是急停按鈕被按下，若產生伺服報警或有急停故障，則轉入伺服報警、急停故障的排查處理。若系統運行正常，則進入機器人是否復位完成的判斷。若機器人未復位完成，為了保證運行安全，機器人需要先進行復位，待復位完成后方可進行單軸手動、示教、再現等模式操作。

圖3 控制系統主站程序流程Fig.3 Flow chart of control system master station program

多自由度串聯機器人系統的復位子程序流程如圖4所示。按下復位按鈕，機器人6軸同時開始自動復位，復位時6軸先向各自負方向運動，當觸發各自負限位時，6軸再向各自正方向運行某一設定距離，并將此時各軸的位置作為機器人的原點位置，然后向主站給出復位完成信號。至此，機器人復位完成。

圖4 控制系統復位子程序流程Fig.4 Flow chart of control system multiplexer program

多自由度串聯機器人的示教子程序流程如圖5所示。示教模式下先實時讀取機器人6軸的位置信息及手抓電磁閥的狀態，然后建立6軸位置數據存儲區并將該存儲區清零，當每次記錄按鈕被按下時，將實時記錄的機器人6軸位置信息及手抓電磁閥狀態存儲到已建立的數據存儲區，以備執行再現子程序實時讀取。

圖5 控制系統示教子程序流程Fig.5 Flow chart of control system demonstration subroutine

多自由度串聯機器人再現子程序為示教子程序的逆程序，再現子序流程如圖6所示，再現過程首先按組讀取PLC特殊寄存器中的6軸位置數據、手抓電磁閥的開閉信息，然后傳送給軸的運動控制模塊，控制軸以設定的速度運動到目標位置，或是控制手抓電磁閥的張開或閉合。當機器人6軸按組再現完成時，從站PLC向主站PLC發出再現完成信號。

圖6 控制系統再現子程序流程Fig.6 Flow chart of control system reproduces subroutine

3.5 控制系統的編程與調試

在控制系統程序流程設計的基礎上，分別基于Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config編程軟件，進行多自由度示教機器人系統S7-200主站和從站PEC6600的編程與調試。S7-200主站編程和調試主要是Step7-Micro/WIN SP9環境下主從站通信參數、輸入輸出數據緩沖區的設置，以及系統復位、示教、再現及信號反饋的控制邏輯編程與調試，主站的數據輸入輸出緩沖區設置程序如圖7所示。PEC6600從站的編程和調試主要是PLC-Config編程環境下從站控制主程序和復位、示教、再現3個子程序的邏輯編程和調試。PLC-Config編程軟件中提供了豐富的運動控制指令，編程時可直接調用，大大提高了編程效率，程序中1軸手動控制程序如圖8所示。當主站和從站編程與調試成功后，再進行主站和從站的系統聯調，直至聯調成功。

圖7 PLC主站輸入緩沖區設置程序Fig.7 PLC main station input buffer setting procedures

圖8 1軸手動控制程序Fig.8 1-axis manual control program

4 組態監控實現

為了實現多自由度示教機器人系統的可視化監控，利用工業組態軟件組態王kingview6.55開發了多自由度示教機器人的上位機監控系統。組態王工業監控軟件具有使用方便、運行穩定、開放性好、易于擴展、開發周期短的優點[5]。在組態王kingview6.55軟件中，先開發監控系統的畫面，然后將監控畫面中的相關參數與Step7-Micro/WIN SP9中的變量進行連接，基于組態王軟件開發的多 自由度示教機器人監控系統如圖9所示。運行畫面中集成了機器人復位、示教、記錄、再現等自動控制和6軸手動控制，手抓電磁閥控制，6軸實時坐標顯示、限位觸發、故障急停等功能。

圖9 多自由度串聯機器人監控系統Fig.9 Multi-degree of freedom serial robot monitoring system

5 結語

工業機器人在工業生產領域中的作用日益突顯。分別基于西門子S7-200 PLC與PEC6600為主控制器，步進、伺服系統為機器人軸運動驅動，搭建了多自由度示教機器人系統，進行了系統的軟件程序設計與功能調試，開發了機器人系統的上位機監控。機器人在運行過程中認址精確、平穩可靠，能按照輸入指令完成相應的控制任務。本系統的研究為多自由度機器人的控制提供了借鑒和技術支撐。