胡洪鈞

（寧德師范學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，寧德 352100）

0 引言

SCARA機(jī)器人具有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向，移動關(guān)節(jié)用于完成末端執(zhí)行器在垂直于平面的運(yùn)動[1]。該機(jī)器人大量用于裝配印刷電路板和電子零部件，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件。圖1所示為實(shí)驗(yàn)室閑置的SCARA機(jī)器人的外觀圖，由于年久失修，該機(jī)器人控制器基本報廢，因此需要對機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，使得機(jī)器人恢復(fù)基本功能。SCARA機(jī)器人控制器大多采用專用控制器或“PC機(jī)+運(yùn)動控制卡”[2]，其優(yōu)點(diǎn)在于功能模塊集成程度高，程序語言嚴(yán)謹(jǐn)，但是這種控制器開放性較差，而且價格偏高。

目前PLC與觸摸屏技術(shù)作為設(shè)備控制及人機(jī)交互的方法被廣泛應(yīng)用[3～6]，并且隨著PLC技術(shù)的發(fā)展和功能模塊的完善，PLC已經(jīng)基本具備了SCARA機(jī)器人所需要的所有功能[7～9]，加上PLC擴(kuò)展性強(qiáng)，程序維護(hù)方便，因此項(xiàng)目使用PLC和觸摸屏來開發(fā)該SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)，不但可以節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)的成本，而且應(yīng)用前景廣闊。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和基本功能，首先確定硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；然后對系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型，主要包括觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器的選擇；最后正確連接系統(tǒng)各硬件，保證硬件系統(tǒng)功能完整。

圖1 SCARA機(jī)器人

1.1 硬件系統(tǒng)工作原理

機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一臺PC機(jī)、一片西門子smart panel系列觸摸屏和兩臺西門子S7-200系列PLC組成。其中PC機(jī)作為主控系統(tǒng)，通過PLC配套的USB-PPI電纜與PLC#1和PLC#2通訊，主要負(fù)責(zé)控制程序的編寫與傳輸，并且將Wincc fl exible組態(tài)好的機(jī)器人控制界面通過以太網(wǎng)傳送到觸摸屏。作為人機(jī)交互界面的觸摸屏，通過MPI電纜與PLC#1通訊，將機(jī)器人實(shí)時操控指令傳送給下位機(jī)PLC#1和PLC#2?？刂葡到y(tǒng)主要任務(wù)是控制機(jī)器人4個關(guān)節(jié)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，完成程序設(shè)定功能，而每臺S7-200系列PLC可同時控制兩臺伺服電機(jī)，因此采用兩臺PLC即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制。電機(jī)伺服驅(qū)動器是由其他廠家定制而成，需要通過配套的解碼器對伺服電機(jī)編碼信號進(jìn)行解碼才能實(shí)時獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信號。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖

1.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)HMI控制面板采用西門子smart 1000IE觸摸屏（1個以太網(wǎng)接口，1個RS-485通訊接口），以太網(wǎng)接口與PC機(jī)的RJ45接口通過網(wǎng)線連接，將PC機(jī)上由Wincc flexible組態(tài)的SCARA機(jī)器人控制界面?zhèn)鬏斀o觸摸屏。下位機(jī)PLC#1和PLC#2中央處理單元均采用CPU224XP（14個DI口，10個DO口，2個RS-485通訊口），PC機(jī)上的控制程序由CPU224XP的通訊口0載入到PLC#1中。PLC#1的通訊口1與觸摸屏RS-485通訊口通過MPI電纜連接[10]，將來自人機(jī)界面的操控指令傳送給PLC#1。在運(yùn)動控制過程中PLC#2的通訊口0與PLC#1的通訊口0通過PPI纜線進(jìn)行實(shí)時通訊。機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動裝置采用H015ADN驅(qū)動器，需配套HSN5X解碼器才能正常工作。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是尤為關(guān)鍵的一環(huán)，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相互配合才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各項(xiàng)功能。

2.1 系統(tǒng)功能分析

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下四點(diǎn)要求：

1）自由實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的4個運(yùn)動軸分別單獨(dú)操控；

2）控制機(jī)器人四軸協(xié)調(diào)運(yùn)動完成自動定點(diǎn)搬運(yùn)作業(yè)；

3）人機(jī)界面設(shè)計(jì)良好，方便各項(xiàng)操作和監(jiān)控；

4）系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、安全性高。

根據(jù)系統(tǒng)硬件組成和預(yù)設(shè)功能，采用梯形圖法編寫系統(tǒng)控制程序[11]，主要包括機(jī)器人運(yùn)動控制程序、硬件通訊程序、觸摸屏組態(tài)程序，在對這些程序進(jìn)行仿真校驗(yàn)之后，把它們傳送到PLC和觸摸屏中。圖3所示為SCARA機(jī)器人各機(jī)械臂運(yùn)動控制的開關(guān)信號與PLC的I/O口對應(yīng)地址關(guān)系。

圖3 PLC控制開關(guān)信號

在定點(diǎn)搬運(yùn)作業(yè)中，機(jī)器人末端夾抓的水平位置（X、Y坐標(biāo)）由大臂和小臂決定；升降臂控制夾抓豎直高度（Z坐標(biāo)）。當(dāng)移動到目標(biāo)位置時，夾爪閉合抓起目標(biāo)物，然后移至目的地放下，循環(huán)執(zhí)行此動作命令，便可重復(fù)上述作業(yè)，整個搬運(yùn)作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人定點(diǎn)搬運(yùn)作業(yè)流程圖

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在SCARA機(jī)器人系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)中，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)采用西門子Wincc flexible組態(tài)軟件，該軟件可以構(gòu)建多種設(shè)備的組態(tài)環(huán)境，不需要通過專業(yè)的編輯代碼重新開發(fā)新的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡便、性能穩(wěn)定，適合于組態(tài)用戶界面來操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備。首先在PC機(jī)上應(yīng)用Wincc flexible組態(tài)軟件搭建機(jī)器人控制界面[12]，主要包含系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、手動控制、自動控制、狀態(tài)監(jiān)控和報警記錄六大功能模塊；然后通過以太網(wǎng)通信把組態(tài)好的控制界面下載到Smart1000IE觸摸屏中，就此完成了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 SCARA機(jī)器人系統(tǒng)人機(jī)界面

初始化模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人整個控制系統(tǒng)的啟動，將所有程序初始化，并檢測各個模塊是否正常，如果有的模塊無法正常工作，會給予相應(yīng)的警示并對問題故障模塊進(jìn)行顯示。

參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的參數(shù)控制，在該功能模塊中可以對機(jī)器人各軸的運(yùn)行速度、位置等可調(diào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定并且可以管理與設(shè)置I/O系統(tǒng)。

在手動控制模塊中，點(diǎn)擊相應(yīng)的操作按鈕便可分別對機(jī)器人4個關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)各軸的自由運(yùn)動。

自動控制模塊中設(shè)定了定點(diǎn)搬運(yùn)功能，當(dāng)按下“模擬搬運(yùn)開始”按鈕，機(jī)器人便立即啟動，自動來回搬運(yùn)物體，同時可監(jiān)視各軸運(yùn)動過程中的伺服狀態(tài)。

狀態(tài)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài)，實(shí)時顯示機(jī)器人各軸當(dāng)前運(yùn)行速度、位置等參數(shù)值。

報警記錄模塊用于儲存警告/錯誤事件的名稱和發(fā)生時間，以供隨時調(diào)用查看。

3 機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試

在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，需要對整個機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并排除問題，確保機(jī)器人各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)。首先檢測硬件系統(tǒng)的搭建情況，主要包括對PLC、伺服驅(qū)動器、觸摸屏和解碼器等各設(shè)備工作性能以及它們之間的通訊狀態(tài)的檢測，排除硬件系統(tǒng)故障，圖6所示是機(jī)器人的現(xiàn)場調(diào)試圖。完成上述檢測工作以后，對以下系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試。

1）手動控制模式下，依次點(diǎn)擊人機(jī)界面中各軸控制按鈕，觀察機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)；

2）自動控制模式下，點(diǎn)擊“模擬搬運(yùn)開始”按鈕，觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，判斷機(jī)器人是否按程序設(shè)定的搬運(yùn)作業(yè)流程執(zhí)行任務(wù)；

3）打開狀態(tài)監(jiān)控畫面，觀察機(jī)器人各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)是否正常顯示，參數(shù)值是否正確；

4）調(diào)用報警記錄，查詢歷史故障發(fā)生的原因和時間。

如果檢測到某項(xiàng)功能無法實(shí)現(xiàn)或者運(yùn)行不正常，分析其原因并返回到PC機(jī)上檢查、修正運(yùn)動控制程序、通訊程序或組態(tài)程序。經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)預(yù)期功能，運(yùn)行情況良好。

圖6 SCARA機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的SCARA機(jī)器人控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)負(fù)責(zé)向下位機(jī)傳輸操控指令；下位機(jī)完成機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)動控制。系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，操控機(jī)器人運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人單軸自由控制、定點(diǎn)搬運(yùn)和系統(tǒng)監(jiān)控等主要功能。在實(shí)際的應(yīng)用中證明該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，其中硬件的選擇和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)對其他類似系統(tǒng)具有普遍的借鑒意義。