侯 勇，毛潤華，何獻章，張曉宇，李金桐

HOU Yong,MAO Run-hua,HE Xian-zhang,ZHANG Xiao-yu,LI Jin-tong

（天津科技大學，天津 300222）

0 引言

機械臂在實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)中擔任著重要角色，其功能是協(xié)同其他設備完成工件不同工藝之間的傳遞和機床的自動上卸料。傳統(tǒng)的機械臂常采用一工位一機械臂配置，這樣機床在加工時，機械臂會處于等待狀態(tài)，造成資源浪費。而且，傳統(tǒng)機械臂的控制通常是利用繼電器、計時器、接觸器等控制器件來實現(xiàn)的，存在著控制精度不高、效率低下、穩(wěn)定性差、智能性不高、實時控制困難等缺陷。

本文設計了一種多工位高效自動上卸料機械臂，采用一機械臂多工位的模式，以較少的資源達到較高的效率。系統(tǒng)以機械臂PLC為主站，利用DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與從站進行實時數(shù)據(jù)交換，從而完成對機械臂運行狀態(tài)和位置進行綜合控制，同時對各個從站的工作狀態(tài)反饋回主站，確保整個機械臂生產(chǎn)線的協(xié)調、高效和穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)總體結構設計

1.1 機械臂生產(chǎn)線布局

如圖1所示，本文自動上卸料生產(chǎn)線的主體結構布局示意圖以四工位為例，由機床、上料器、下料器、中間傳遞和機械臂組成。生產(chǎn)線中，機床1和機床2對放，機床3和機床4對放，布局上更加緊湊和節(jié)約場地，使機械臂和機床之間更加快速高效地自動上卸料。

1.2 生產(chǎn)線網(wǎng)絡布局

圖1 生產(chǎn)線布局示意圖

DeviceNet是一種基于CAN技術的網(wǎng)絡解決方案，具有開放的網(wǎng)絡標準，而且結構簡單成本較低，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s，每個網(wǎng)絡的最大節(jié)點數(shù)為64個，位于DeviceNet網(wǎng)絡上的設備可以自由連接或斷開，而不會影響網(wǎng)上的其他設備的正常工作，在工業(yè)控制中有著廣泛的應用[1～3]。

為了保障生產(chǎn)線上各臺設備在機械臂統(tǒng)一控制下協(xié)調工作，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)多工位上卸料，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡選用臺達系列工控產(chǎn)品搭建，網(wǎng)絡連接圖如圖2所示。其中，以機械臂PLC（DVP28SV11T2）和DVPDNET-SL為主站（站號00）；上料器1、下料器1、工件傳遞1和RTU-DNET為從站1（站號01）；上料器2、下料器2、工件傳遞2和RTU-DNET為從站2（站號02）。

1.3 機械臂工作流程

圖2 生產(chǎn)線網(wǎng)絡示意圖

機床1、機床2、上料1、下料1、工件傳遞1和機械臂完成一個加工流程，工作流程如下：機械臂在機床1等待，當機床1加工完成，機械臂從機床1取下加工好的工件，移放到工件傳遞1上，接著到上料1夾取工件放到機床1，然后到機床2處等待，當機床2加工完成后，取下機床2的加工件放到下料1，最后從工件傳遞1上夾取工件到機床2，完成一個零件的加工。機床3、機床4、上料2、下料2、工件傳遞2和機械臂完成另一個零件加工流程，流程同上。

2 機械臂組成與控制要求

2.1 機械臂結構

多工位自動上卸料機械臂控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)伺服電機作為動力，以齒輪帶動齒條傳動機械臂的幾個軸往返移動，實現(xiàn)機械臂在多工位之間平穩(wěn)、精確地移動。

本文的機械臂采用了四軸聯(lián)動的結構，圖3為系統(tǒng)結構的3D示意圖。其中，X軸和Z軸分別實現(xiàn)機械臂的左右和上下移動，Y1軸和Y2軸實現(xiàn)縱向前后伸縮；Y1、Y2軸上配有氣動手爪通過前后伸縮，結合X軸和Z軸左右和上下移動，來夾取工件，配合機床、上下料器和傳遞機構完成生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)。

圖3 機械臂3D圖

2.2 機械臂控制要求

為實現(xiàn)機械臂多工位和高效自動上卸料的工作目的，以及分析機械臂和中間工藝變換裝置之間的工作過程，對機械臂的控制提出如下要求：

1）能夠實現(xiàn)機械臂的整體（Z）上下移動和位置保持；

2）機械臂的左右移動（X）和Y1、Y2軸的前后伸縮；

3）機械臂能夠多軸聯(lián)動；

4）能夠人為設定X、Y1、Y2、Z原點位置，且電機位置不因斷電而遺失；

5）X、Y1、Y2、Z軸有正反行程極限位置保護；

6）主站與各從站之間能實時通信；

7）能實時顯示機械臂關鍵參數(shù)，部分參數(shù)能作相應的修改。

3 機械臂控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)的組成

電氣設備控制系統(tǒng)中，中央控制單元是至關重要的，通過上述的系統(tǒng)控制要求分析，本文選用了抗干擾能力強的可編程控制器PLC為控制核心，設計了多工位自動上卸料機械臂的控制系統(tǒng)[4～6]。

機械臂控制系統(tǒng)主要由以下模塊組成：PLC控制器、通信模塊、伺服控制器、伺服電機、I/O接線端子、信號傳送線纜、按鈕開關、傳感器和人機界面等。

主站控制器（PLC）與從站控制器通過通信模塊之間進行數(shù)據(jù)交換，發(fā)出控制信號，控制電磁閥和伺服驅動器等執(zhí)行機構，使機械臂在多工位之間按預定程序運動，同時通過相應的傳感器的反饋信號監(jiān)測和判斷機械臂的運行情況，并通過信號燈和人機界面顯示給用戶。

3.2 I/O點及分配

根據(jù)對控制系統(tǒng)的功能分析，機械臂PLC的I/O點位分配如表1所示。

3.3 控制系統(tǒng)主要器件選型

基于以上I/O分配表點位圖和對設備功能擴充升級的考慮，預留出20%的備用I/O口，主機選擇便于擴展的臺達DVP28SV11T2（輸入16點、輸出12點），輸入擴展模塊選擇臺達DVP16SM11N（16點），輸出擴展模塊選擇臺達DVP16SN11T（16點）。

要使機械臂能夠在多個工位之間自動上卸料，主站（機械臂）與從站（上下料器和中間傳遞）之間的實時通信是關鍵所在，通信模塊選擇臺達DVPDNET-SL和RTU-DNET與PLC組成DeviceNet通信網(wǎng)絡。

為了達到更高的可控性和智能性，加入人機交互，人機界面選擇臺達DOP-B10S411。

表1 機械臂I/O點分配表

機械臂的位置精度是靠電機來實現(xiàn)和決定的，根據(jù)設計中提出的控制要求，選擇有全閉環(huán)和絕對值編程的電機和伺服編碼器（能夠人為設定X、Y1、Y2、Z原點位置，且電機位置不因斷電而遺失），伺服驅動器和電機型號為臺達ASD-A2-0421-LN/ECMC-CW0604RS(Y1)、臺達ASD-A2-0421-LN/ECMC-CW0604RS(Y2)、臺達ASD-A2-0721-LN/ECMC-CW0807RS(X)、臺達ASD-A2-0721-LN/ECMCCW080SS（Z軸帶抱閘，位置保持）。

4 控制系統(tǒng)程序設計

4.1 PLC程序設計

程序設計[7]是控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)生產(chǎn)流程和工藝要求，系統(tǒng)控制程序分為手動程序、自動程序。并且，為了提高設備運行的安全性和穩(wěn)定性還需加入相應的互鎖、自鎖和報警程序。在要求平穩(wěn)度和定位精度高的環(huán)節(jié)加上適當延時以提高設備的穩(wěn)定性；為了提高設備的可操作性和智能性，對各個位置的傳感器進行邏輯處理，對不符合加工要求的情況給出相應的報警信息，對緊急報警進行停機處理，而對較緩和的報警，在執(zhí)行完當前動作后暫停等待，等問題處理完以后可繼續(xù)運行。

以機床1（一工程）和機床2（二工程）為例，其程序流程如圖4所示，機床3和機床4程序流程同機床1和機床2相同。

圖4 程序流程圖

4.2 人機界面設計

觸摸屏界面采用臺達DOPSoft 2.00.07.02軟件開發(fā)。為使設備具有實時可控性和智能性，人機交互界面設有手動操作（便于檢修和調試）、自動操作、報警信息、傳感器狀態(tài)燈、伺服電機當前位置和參數(shù)設定等功能和信息模塊，更好地實現(xiàn)人機交互和信息顯示。圖5為觸摸屏手動界面、自動界面和參數(shù)設定界面。

5 結語

圖5 觸摸屏界面

DeviceNet網(wǎng)絡的搭建，能實現(xiàn)主站（機械臂）和各從站之間進行實時數(shù)據(jù)交換，該網(wǎng)絡在機械臂自動上卸料生產(chǎn)線上的成功應用，有效地解決傳統(tǒng)機械臂效率低、控制實時性較差和應用于多工位困難的問題。機械臂控制系統(tǒng)通過對伺服電機閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對機械臂平移運動和多軸聯(lián)動的精確位置控制，配合傳感器和其他裝置，實現(xiàn)了多工位的自動高效上卸料。通過觸摸屏的人機交互，能夠方便地修改參數(shù)和了解設備的運行狀態(tài)，體現(xiàn)了設備的智能性和實時可控性。經(jīng)實際生產(chǎn)表明，自動上卸料機械臂采用多工位的工作模式，能夠提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量以及生產(chǎn)過程的安全性、可控性和智能性，具有良好的實用價值和應用前景。

圖6 現(xiàn)場運行圖