基于PLC的新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)設計_張豐華.pdf

1、DOI :10.16526/ki .11 -4762/tp.2009.11.064計算機測量與控制 .2009 .17(11) 控制技術Computer Measurement & Control · 2191 ·文章編號:1671-4598(2009)11-2191-03 中圖分類號:TP24文獻標識碼:A基于 PLC 的新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)設計張豐華1 , 韓寶玲1 , 羅慶生2 , 石 琳2 , 黃 麟1(1.北京理工大學機械與車輛工程技術學院, 北京 100081;2 .北京理工大學機電學院, 北京 100081)摘要:作為物流自動化領域的一門新興技術

2、, 近年來, 碼垛技術獲得了飛速的發(fā)展, 廣泛采用碼垛機器人對提高勞動生產率以及降 低生產成本有著十分重要的意義;在充分研究國內外工業(yè)碼垛機器人的基礎上, 設計了一種基于P LC 控制的新型工業(yè)碼垛機器人控制系 統(tǒng), 控制系統(tǒng)以觸摸屏為人機交互界面, 以橫河 FA -M3 PLC 為控制系統(tǒng)核心, 同時還根據碼垛作業(yè)實際需要和工作流程的特點, 完成 了軟件系統(tǒng)的編寫;實際運行結果表明, 新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)具有高可靠性和穩(wěn)定性, 同時又具有良好的可擴展性和可維護性, 能滿足碼垛作業(yè)的實際需要, 符合工業(yè)應用要求。關鍵詞:PLC ;工業(yè)碼垛機器人;控制系統(tǒng);軟硬件設計與實現(xiàn)Control

3、System Design of Palletizing Robot Based on PLC TechnologyZhang Feng hua1 , H an Baoling 1 , Luo Qing sheng2 ,Shi Lin2 ,H uang Lin1(1 .Schoo l o f M echanical a nd Vehicula r Eng ineering , Beijing Institute of T echno lo gy ,Beijing 100081 , China ;2.Schoo l of M echatro nics, Beijing Institute o f

4、 T echnolog y ,Beijing 100081, China)Abstract :As an emerging technology in the field of logistics automation , palletizing tech nology h ave developed rapidly in recent years 。 W idely u sage of palletizing robot can raise labor productivity and lower p rodu ction costs .After a carefully study of

5、palletizing robots both at home and ab road , Designed a con trol system of new indu strial palletizing robot by using PLC as the core。 The contorl system use tou ch scree as human -machine in terface (H MI), y ok ogaw a PLC as the m ain controller .This paper also desig ned softw are system to meet

6、 the practical needs of palletizing operation .Practical use show s that palletizing robot w orks w ith stability , reliable performance , and achieved th e desired resu lts u nder the p remise of meeting a variety of operational requirements and has broad p rospects for industrial applications .Key

7、 words:PLC ;palletizing rob ot ;control system ;im plem en tation and desig n of h ardw are and softw are0 引言工業(yè)碼垛機器人屬于典型的機電一體化高科技產品, 對企 業(yè)提高生產效率、 增長經濟效益、 保證產品質量、 改善勞動條 件、 優(yōu)化作業(yè)布局貢獻巨大, 其應用的數量和質量標志著企業(yè) 生產自動化的先進水平。 控制系統(tǒng)是工業(yè)碼垛機器人最為重要 的組成部分, 對機器人碼垛功能的實現(xiàn)及作業(yè)性能的保障起著 至關重要的作用, 直接決定著機器人的運動精度及工作效果。通過調查發(fā)現(xiàn), 目前在用的工業(yè)碼垛

8、機器人多采用 “ 運動 控制器+PC” 構架形式的控制系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)以 PC 為硬 件平臺, 依靠運動控制卡實現(xiàn)運動軸的實時控制。 雖然上下位 關系清晰, 但系統(tǒng)穩(wěn)定性差、 可靠性低、 可擴展能力弱, 且功 能冗余, 性價比很低。 筆者所在科研團隊設計的工業(yè)碼垛機器 人控制系統(tǒng), 以 P LC 為主控裝置, 使 P LC 與相關器件的功能 融合達到理想的程度, 所構建的機器人控制系統(tǒng)結構精簡, 節(jié) 能降耗, 具有很好的穩(wěn)定性及可擴展性, 尤其可貴的是, 該控 制系統(tǒng)性價比很高, 適于工業(yè)現(xiàn)場應用。1 工業(yè)碼垛機器人簡介在充分研究國內外工業(yè)碼垛機器人的基礎上, 筆者所在科收稿日期:2009

9、-04-28 ; 修回日期:2009-06-07 ?；痦椖?某部委國家重點預研項目。作者簡介:張豐華(1984-), 男, 碩士研究生, 主要從事工業(yè)機器人控 制技術、PLC 應用技術等方向的研究。韓寶玲(1957-), 女, 教授, 博士研究生導師, 主要從事特種機器人技 術、機電一體化技術等方向的研究。研團隊研制出一種功能齊全、 性能穩(wěn)定、 成本低廉、 結構簡 單、 機動靈活的工業(yè)碼垛機器人。具體設計指標如下:(1)性能參數:本體質量:1000kg ;最大抓取質量:60kg ;搬運速度:30m/ min ;堆碼速度:20 次/min。(2) 工作范圍:水平作業(yè)半徑為 2.5m , 垂直作

10、業(yè)高度 為 2.4m 。(3)連續(xù)運轉時間不小于 24h , 連續(xù)運轉 8h 累積誤差不 超過±5mm 。圖 1 平衡吊機構原理圖該工業(yè)碼垛機器人采用圖 1 所示平衡吊機構形式, 具有結 構簡單、 使用方便、 維護節(jié)省的優(yōu)點。 在該機構中, 構件 5 和 6 是兩個原動件, 由于機構有兩個自由度, 所以該機構的運動 是確定的。 桿系核心部分是一個平行四連桿機構, 由 A BD 、·2192 · 計算機測量與控制 第 17 卷DEF 、 BC 、 CE 四桿組成, 在 B 、 C、 D 、 E、 F 處用鉸鏈連接, 其中 BC =DE 和 BD =CE 。該機器人主

11、體機構的優(yōu)點在于, 無論機器人空載, 還是負 載, 在工作范圍內的任何位置都可以隨意停下并保持靜止不 動, 即達到隨遇平衡狀態(tài)。 機器人機械結構的三維仿真設計效 果如圖 2 所示。由于機器人具有相互獨立的四個自由度, 相應 的機械結構也可分為四個部分:(1) 底座旋轉部分及其驅動裝 置 7;(2)水平移動部分及其驅動裝置 5 ;(3)垂直移動部分 及其驅動裝置 6 ;(4)手爪旋轉部分及其驅動裝置 8 。 各自由 度均采用交流伺服電機驅動。 機器人水平方向的運動由電機經 絲杠旋轉帶動構件 5 做水平直線運動來實現(xiàn);機器人垂直方向 的運動由電機經絲杠旋轉帶動構件 6 做垂直方向的直線運動來 實現(xiàn)

12、。 底座及手爪部分有兩個旋轉自由度。 通過這四個自由 度, 實現(xiàn)碼垛機器人抓手在空間內的靈活移動, 完成碼垛 作業(yè)。1 , 2 , 3 , 4 -平行四連桿機構;5 -水平移動部分; 6 -垂直移動部分;7 -底座旋轉部分;8 -手爪旋轉部分 圖 2 碼垛機器人機械系統(tǒng)示意圖2 工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)根據工業(yè)碼垛機器人整體設計指標及作業(yè)要求, 其控制系 統(tǒng)應滿足如下要求:(1)四軸四自由度的協(xié)調控制, 實現(xiàn)高速、 穩(wěn)定、 高效 運動;(2)示教控制技術, 實現(xiàn)路徑規(guī)劃; (3)實時性高, 動態(tài)響應性能好; (4)高可靠性、 安全性和穩(wěn)定性;(5)友好的人機界面, 編程方便, 易于

13、操作; (6)硬件系統(tǒng)結構緊湊, 并具有一定的可擴展性。根據上述設計要求, 筆者和科研團隊其他成員們共同設計 了如圖 3 所示的工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)硬件構架。需要指出, 工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)的核心是橫河 F A - M 3 P LC 。 該 P LC 功能多、 性能好、 處理速度快和擴展能力 強, 主要完成伺服電機驅動、 示教功能及其它外圍 I/ O 量的處 理等任務。 F A -M 3 P LC 采用模塊化設計, 可根據不同任務 需求采用不同的模塊。 本機器人控制系統(tǒng)需要采用:電源模 塊、 CP U 模塊、 數字量模塊、 位置控制模塊和通信模塊等。其中位置控制模塊 F 3N C34 根據

14、來自 CP U 模塊的命令, 生成位置定位用的軌跡, 以脈沖串的形式輸出位置命令值。 按 照輸出脈沖串的數量指定電機的旋轉角度, 按照頻率指定電機 的旋轉速度, 同時接收編碼器的反饋值 , 構成閉環(huán)控制。 碼垛 機器人位置控制原理如圖 4 所示。圖 4 位置模塊運行原理示意圖位置控制模塊中裝有 32 點位的固定輸入和輸出繼電器, 可將位置控制所需常用命令固化在其中, 方便位置控制的實現(xiàn) 。位置控制模塊的特點如下 : (1)高速和高精度的定位控制使用交流伺服電動機時, 最大輸出為 5M pps ; 對于機器人1 軸啟動的情況, 可使用0.15ms 的短時位控;對于 4 軸直線插補和 2 軸圓弧插

15、補, 可使用 0.5ms 以下的短時位控, 這樣就可使機器人開始高速運行, 實現(xiàn)與外圍設備的同步。(2)豐富的位置功能 該模塊的控制方式有定位控制、 速度控制、 速度控制向定位控制的切換控制、 定位控制向速度控制的切換控制。 作為插圖3 碼垛機器人硬件結構圖圖 5 控制系統(tǒng)軟件構架示意圖第 11 期張豐華 , 等 :基于 PLC 的新型工業(yè)碼垛機器人控制系統(tǒng)設計 · 2193 · 入控制有直線插補、 圓弧插補、 螺旋插補等。 豐富的功能使機 器人能夠輕易實現(xiàn)多種多樣的定位控制。(3)脈沖計數器/ 通用輸入輸出接點 因為可以按照機器人的軸數安裝輸入值最大為 5M pps 的脈

16、沖計數器 (支持絕對值編碼器), 使用該模塊就可以讀取電 動機的反饋脈沖, 從而實現(xiàn)當前位置的確認、 位置偏離的檢測 等更加正確的定位控制。通用輸入接點 (6 點/ 軸)、 通用輸出接點 (3 點/ 軸)與電 動機/ 驅動器相連接, 可以作為控制用輸入輸出接點 (驅動器 報警、 定位完成、 伺服電動機 O N 、 驅動器復位等)來使用。(4)通過位置模塊設定工具可以實現(xiàn)參數設定、 動作監(jiān) 視、 動作測試根據位置控制模塊的設定工具 “ T oo lBox 位置模塊” 可以 進行寄存器參數、 動作模式以及位置數據的設定、 動作監(jiān)視、 動作測試等, 從而使該模塊的運行準備以及調試工作等變得更 加簡便

17、。3 控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)碼垛機器人控制系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)十分重要, 在保障 機器人碼垛功能的實現(xiàn)和作業(yè)效果的提升方面起著舉足輕重的圖 6 工業(yè)碼垛機器人軟件系統(tǒng)工作流程作用。 筆者和科研團隊的成員們共同努力, 制定出如圖 5 所示 的機器人控制系統(tǒng)軟件構架。其中, 人機交互軟件的編寫采用觸摸屏自帶編寫軟件, 界面 通俗易懂, 適合工廠化環(huán)境使用, 且成本低廉。各模塊功能如下:初始化模塊:負責碼垛機器人控制系統(tǒng)啟動和程序初始化 , 監(jiān)測控制系統(tǒng)各單元是否工作正常并及時反饋; 示教模塊:完成機器人的位置示教, 生成示教指令文件;監(jiān)控模塊:監(jiān)控機器人的工作, 顯示機器人的工作狀態(tài); 文件處理模

18、塊:管理各種文件, 包括文件的調用、 改名和刪除、 復制等; 參數設置模塊:進行機器人控制參數以及機器人結構參數等可調參數的設置、 控制系統(tǒng) I/O 的設置和管理; 碼垛機器人控制系統(tǒng)的軟件采用橫河 P LC 通用軟件 wide-field 進行編寫, 可采用梯形圖和語句表形式, 模式運行時也可 采用自帶軟件 T oo lBo x 進行編寫, 只需設定相關參數即可, 簡 單易行, 工作量大大減少。 各模塊功能如下:軌跡規(guī)劃模塊:完成機器人各種軌跡規(guī)劃、 插補算法; 位置控制模塊:主要包括單軸定位、 插補定位、 定位動作中的目標位置變更、 速度變更等; 速度控制模塊:主要包括速度控制、 速度控制

19、中的速度變更、 速度控制和位置控制的相互切 換等;原點搜索模塊:包括自動原點搜索、 手動原 點搜索等;手動控制模塊:包括 JOG 控制、 手動脈沖 發(fā)生器等。碼垛機器人軟件系統(tǒng)工作流程如圖 6 所示。4 結論本文以新型工業(yè)碼垛機器人為研究對象, 以 橫河 F A -M 3 PL C 為基礎設計了機器人控制系 統(tǒng), 并根據碼垛機器人工作特點和實際需要設計 了兩種常用工作模式。 經實際工程樣機運行測 試, 可知以 PL C 為核心的工業(yè)碼垛機器人控制 系統(tǒng)既可以完成對現(xiàn)場 I/ O 量的采集和控制, 也 可以通過位置控制模塊驅動交流伺服電機, 完成 對碼垛機器人四軸的運動控制。 工業(yè)碼垛機器人 工

20、程樣機性能測試表明, 本文所構建的碼垛機器 人控制系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮 PL C 的技術特點, 在 滿足碼垛機器人多樣化作業(yè)要求的前提下, 可顯 著提高機器人的可靠性及性價比, 具有廣闊的工 業(yè)應用前景。參考文獻: 1 胡洪國, 高建華, 楊汝清.碼垛技術綜述 J .組 合機床與自動化加工技術, 2000 , (6):7 -19 . 2 劉 清, 韓寶玲, 羅慶生, 等.S7 -200 可編程控 制器在新型智能碼垛機器人中的應用研究 J .制造業(yè)自動化, 2008 , (7):39 -43 . 3 閆愛和, 焦希潤, 張素青.平衡吊的運動分析及平 衡方法 J .太原重型機械學院學報, 2000 ,

21、 (4):295 -300 .(下轉第 2196 頁)·2196 · 計算機測量與控制 第 17 卷產品, 它具有傳輸速度高、 低電磁輻射、 掉電不影響總線、 具 備只聽模式等特點 4 。 CA N 總線信號與主控制器隔離外, 微 控制器所用的電源也與 CA N 收發(fā)器所用電源相互隔離, 本研 究采用 DC -DC 微功率電源模塊 B0505L M 隔離兩部分電源。 此外, CA N 總線接口還設計了保護電路。 使用了 P HILIPS 公 司的 P ESD1CA N 保護二極管, 對 ESD 脈沖、 電源瞬變、 浪涌 等現(xiàn)象有很好的抑制作用 5 , 相對于使用 T VS

22、二極管來說, PESD1CA N 在防浪涌和抑制瞬變方面有更好的表現(xiàn)。 值得注 意的是, CA N 網絡終端的兩個 120的電阻, 對于匹配總線阻 抗起著相當重要的作用, 忽略掉它們, 會使數據通訊的抗干擾性 、 可靠性大大降低, 甚至無法通訊。 外召采集器和內召采集器的設計, 微處理器使用的是 A t-mel 公司的 A T meg a8, 它是一款高性能、 低功耗的 8 位微控制 器, CA N 通訊接口采用 M icro chip 公司推出的 CA N 總線控制 器芯片 M CP2515 和 P HILIP S 公司收發(fā)芯片 T JA 1050 。圖 5 為內外召采集器 CA N 接口電

23、路的設計。信息后, 判斷是 CA N 數據幀還是遠程幀。 數據幀進行運行狀 態(tài)的實時顯示;遠程幀則掃描按鍵信息, 登記呼叫后發(fā)送至主 控器。 流程如圖 7 所示。圖 5 內外召采集器C AN 接口電路2.3 基于 CiA DSP417 協(xié)議的電梯群控 CAN 通訊電梯主控制器 CA N 通訊任務啟動節(jié)點掃描任務后, 首先 發(fā)送第一個節(jié)點的遠程幀來獲取第一個 CA N 節(jié)點的召喚信 息;此后繼續(xù)掃描其它節(jié)點直到最后節(jié)點為止;最后登記好所 有召喚節(jié)點信息后等待主程序邏輯計算并控制運行, 同時發(fā)送 電梯狀態(tài)信息的 CA N 數據幀給各召喚節(jié)點。 整個任務掃描周 期為 100ms 。 其流程如圖 6 所示。 召喚 CA N 信息的接收和發(fā) 送在中斷程序里處理, 召喚板接收到電梯主控器發(fā)來的 CA N圖 6 電梯主控制器C AN 通訊流程圖 7 召喚 CA N 通訊流程3 結束語基于 CiA DS P417 協(xié)議的電梯群控系統(tǒng)是最新的電梯群控 系統(tǒng)構建模式, 這種構建模式將使電梯群控技術得到一個質的 飛躍。 同時, 該項技術的成功, 將填補國內與國外同類技術的 空白, 提高我國電梯控制技術的水平, 降低對國外電梯技術的 依賴。參考文獻: 1 崔 剛, 許怡生, 耿蘭鳳.基于 C -NET 的電梯群控系統(tǒng) J .電梯工業(yè), 2006, (