童向亞，朱 舟，胡洪鈞，吳紹龍

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002）

基于PLC的SCARA碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)

童向亞，朱 舟，胡洪鈞，吳紹龍

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福州 350002）

設(shè)計(jì)了以西門子S7-200 PLC為控制器的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用西門子Smart系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面，結(jié)合西門子EM253定位模塊和SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，精確實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的位置控制。完成了控制系統(tǒng)軟件部分的主程序、手動(dòng)模式與自動(dòng)模式程序編寫以及人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)具有成本低廉、安全性和穩(wěn)定性高以及硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

PLC；控制系統(tǒng)；位置控制；觸摸屏

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人在碼垛、焊接、噴涂、搬運(yùn)和測量等多個(gè)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用；但目前許多工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用的是封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，生產(chǎn)成本高、通用性差、不便擴(kuò)展和維護(hù)，已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)需求。因此，研究開發(fā)開放式機(jī)器人控制器，以降低成本，使機(jī)器人能夠像個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣普及，將成為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向［1-2］。

1 系統(tǒng)硬件平臺構(gòu)建

SCARA碼垛機(jī)器人的控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的以位置控制為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)由Smart Line 1000 IE、S7-200 PLC、EM253定位模塊兩個(gè)、V80驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四個(gè)、位置和速度檢測單元以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及實(shí)物如圖1和圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)拓?fù)淇驁D

圖2 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。其中：3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的軸線相互平行，可在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向；移動(dòng)關(guān)節(jié)用于完成末端件的垂直升降運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置P由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移θ1、θ2和移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移ZH決定，即P=f（θ1，θ2，ZH），如圖3和圖4所示。

SCARA機(jī)器人的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多軸空間定位，即機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作都可分解為多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的綜合。多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)即需多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，而每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都是一個(gè)伺服電機(jī)，它們的運(yùn)動(dòng)和速度的實(shí)時(shí)控制都是通過控制器發(fā)送脈沖給驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的，可以達(dá)到系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)［3］。

圖3 Scara機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

圖4 Scara機(jī)器人運(yùn)行效果圖

1.1 控制器

選擇S7-200系列PLC作為SCARA碼垛機(jī)器人的控制器。選擇CPU226作為該控制器CPU單元，該單元具有六種功能拓展模塊，自帶脈沖發(fā)送功能，具有高可靠性、高適應(yīng)性等特點(diǎn)［4］，參數(shù)如表1所示。

表1 CPU226CN部分性能參數(shù)

1.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用SINAMICS V80作為SCARA機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分，其中伺服電機(jī)帶有編碼器。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過脈沖輸入接口接收從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，用來進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的速度和位置控制，通過接收來自控制單元發(fā)出的數(shù)字信號來控制驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行和狀態(tài)的實(shí)時(shí)輸出。

1.3 人機(jī)交互界面

我們使用西門子Smart Line 1000 IE作為人機(jī)交互界面，其豐富的畫面對象庫、高效和智能的組態(tài)方式、強(qiáng)大的變量和報(bào)警管理，可創(chuàng)建出可視化和智能化的操作和監(jiān)控界面。

1.4 EM253定位模塊

由于碼垛機(jī)器人共有四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸需要控制，為降低控制系統(tǒng)成本，增加拓展性，我們采用CPU226結(jié)合EM253位控模塊控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置，如圖5所示。圖5中，EM253通過擴(kuò)展的I/O總線實(shí)現(xiàn)與S7-200通信，運(yùn)用STEP 7-Micro/WIN完成對位控模塊的組態(tài)，其組態(tài)信息存儲(chǔ)在S7-200的V存儲(chǔ)區(qū)中，且作為智能模塊出現(xiàn)在I/O組態(tài)中［5］。

圖5 定位模塊和CPU226配置方式

2 軟件系統(tǒng)構(gòu)建

SCARA碼垛機(jī)器人的作用是將生產(chǎn)線上的物料搬運(yùn)到目標(biāo)地點(diǎn)，并按要求將多個(gè)物料整齊地堆垛成一個(gè)穩(wěn)定的、預(yù)先設(shè)置好的垛型。

2.1 程序設(shè)計(jì)需求

為機(jī)器人設(shè)計(jì)的模式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種［6］。設(shè)生產(chǎn)線末端物料擺放處的某個(gè)點(diǎn)為機(jī)器人的原點(diǎn)，在無故障發(fā)生的情況下，機(jī)器人運(yùn)行開始和結(jié)束都必須在原點(diǎn)處。機(jī)器人如被設(shè)定為自動(dòng)模式，則必須運(yùn)行完一個(gè)完整的周期才能中斷；如果在運(yùn)行時(shí)意外掉電，重新啟動(dòng)后系統(tǒng)將繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)模式。手動(dòng)模式是機(jī)器人根據(jù)工作人員的操作指令執(zhí)行各種動(dòng)作，手動(dòng)模式結(jié)束后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)返回參考點(diǎn)，即機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行至原點(diǎn)，等待下一個(gè)命令。

碼垛機(jī)器人除了具備上述兩種運(yùn)行模式外，還有安全保護(hù)功能。機(jī)器人的每一運(yùn)動(dòng)軸都安裝有一個(gè)參考點(diǎn)接近開關(guān)，用來校正機(jī)器人運(yùn)行過程中產(chǎn)生的誤差累積。除末端執(zhí)行器外，運(yùn)動(dòng)軸上還接有另外兩個(gè)接近開關(guān)，用以避免機(jī)器人超范圍運(yùn)行造成安全事故。為保證機(jī)器人在發(fā)生意外狀況時(shí)能夠立即停止運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)必須設(shè)置一個(gè)急停按鈕。這個(gè)急停按鈕必須是物理按鈕，而不是設(shè)置在觸摸屏中。另外，為防止機(jī)器人在運(yùn)行過程中傷害到工作人員，需要將機(jī)器人用圍欄圍起來，在圍欄上設(shè)置一個(gè)安全門并將其與PLC連接，保證在門被打開時(shí)機(jī)器人能夠立刻停止工作。

2.2 程序設(shè)計(jì)方案

本文主要設(shè)計(jì)的是主程序、手動(dòng)模式程序和自動(dòng)模式程序三部分。主程序包含機(jī)器人的初始化、故障報(bào)警等錯(cuò)誤信息的反饋，以及模式之間的正確切換運(yùn)行等內(nèi)容，其程序代碼和運(yùn)行流程如圖6和圖7所示。

手動(dòng)模式流程圖如圖8所示。由圖8可見，手動(dòng)模式程序中包含觸摸屏上各個(gè)按鍵對機(jī)器人動(dòng)作的控制。程序中還作如下限制：抓手中有物料時(shí)不能退出手動(dòng)模式，必須將物料放置在合適位置后才能退出手動(dòng)模式。這樣可以避免對自動(dòng)模式運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖6 主程序梯形圖

圖7 主程序流程圖

圖8 手動(dòng)模式流程圖

自動(dòng)模式程序包含一個(gè)完整的自動(dòng)運(yùn)行周期，即機(jī)器人從初始位置開始運(yùn)行，到將物料碼放至程序所指位置，再回到初始位置。自動(dòng)模式具備掉電復(fù)位和中斷停止的功能，流程圖如圖9所示。

圖9 自動(dòng)模式流程圖

2.3 觸摸屏組態(tài)

西門子Smart Line 1000 IE的官方組態(tài)軟件為Wincc Flexible 2008。該軟件可以對所實(shí)現(xiàn)的觸摸屏功能進(jìn)行組態(tài)，如圖10所示。

圖10 基本操作畫面組態(tài)圖

在圖10中，（a）為機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)顯示的畫面；（b）為選擇機(jī)器人工作模式和查看故障信息畫面；（c）為機(jī)器人開始運(yùn)行自動(dòng)模式前的畫面，該畫面中可以選擇自動(dòng)模式的運(yùn)行速度檔位，也可以手動(dòng)輸入，輸入的值需在最大值和最小值之間；（d）為機(jī)器人運(yùn)行自動(dòng)模式時(shí)顯示的畫面；（e）為機(jī)器人運(yùn)行手動(dòng)模式時(shí)顯示的畫面，其中的各動(dòng)作按鈕可控制機(jī)器人的相應(yīng)動(dòng)作；（f）為機(jī)器人出現(xiàn)故障和報(bào)警時(shí)觸摸屏顯示的畫面；（g）和（h）分別為運(yùn)行中和運(yùn)行完成時(shí)觸摸屏顯示的畫面；（i）為組態(tài)時(shí)的“報(bào)警窗口”與實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障報(bào)警的畫面。

在PLC和觸摸屏通信之前要組態(tài)PLC和觸摸屏的連接。由于PLC和觸摸屏之間是通過以太網(wǎng)口連接，因此兩者均需設(shè)置IP地址。將組態(tài)連接完成后，就可以通過觸摸屏改變PLC存儲(chǔ)區(qū)的值，組態(tài)連接如圖12所示。

圖12 組態(tài)連接圖

觸摸屏組態(tài)變量分為內(nèi)部變量和外部變量。內(nèi)部變量使用的是觸摸屏自帶的存儲(chǔ)區(qū)，不需要設(shè)置地址；而外部變量則需使用PLC內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，需設(shè)置調(diào)用地址。本文組態(tài)的變量都為外部變量。變量分配如圖13所示。

圖13 變量分配圖

3 結(jié)束語

為解決SCARA機(jī)器人目前存在的控制系統(tǒng)集成化程度高而通用性和可拓展性較低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種以西門子S7-200 PLC作為控制器的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，操作方便，控制系統(tǒng)外部結(jié)合西門子EM253定位模塊、SINAMICS V80伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置速度檢測單元等，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的協(xié)調(diào)、高速和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)緊湊，且具有一定的可擴(kuò)展性。

［1］ 饒耿生.開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究及仿真［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［2］ 王杰高.國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2013(2)：4-5.

［3］ 胡杰，張鐵. SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(5)：162-164.

［4］ 廖常初. S7-200 PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：14-19.

［5］ 李全利. PLC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐(西門子)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：105-109.

［6］ 郭亞奎, 陳富林, 湯永俊.碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電一體化，2014(1)：55-58.

【責(zé)任編輯 梅欣麗】

Design of Control System for SCARA Palletizing Robot Based on PLC

TONG Xiangya, ZHU Zhou, HU Hongjun, WU Shaolong
（College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China）

The new industrial palletizing robot control system is designed with Siemens S7-200 PLC as the controller, the system hardware takes Siemens smart series touch screen as human-computer interaction interface, combining with Siemens EM253 positioning module and SINAMICS V80 servo drive system to accurately implement the position control of palletizing robot. The main program of control system, the manual mode and automatic programming as well as the man-machine interface configuration are completed in the design. Debugging and running results show that such control system has low cost, high safety, stability and its hardware system structure is compact.

PLC； control system； positioning control； touch screen

TU391

A

2095-7726（2015）03-0054-05

2014-12-01

童向亞（1990-），男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電傳動(dòng)與控制。