摘" 要：基于三軸機(jī)械臂在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用及運行控制要求，采用以PLC為核心控制器，將伺服電機(jī)、傳感器、觸摸屏、交流伺服裝置、工控計算機(jī)及絲桿工作臺等組合后，設(shè)計出一種三軸運動控制系統(tǒng)，并用西門子組態(tài)上位機(jī)軟件WinCC完成對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。通過編寫程序下載至系統(tǒng)平臺后可完成整個系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，實現(xiàn)機(jī)械臂不同運行軌跡的操作?？臻g軌跡控制中利用工控計算機(jī)的強大運算能力，將位置數(shù)據(jù)傳送到可編程控制器中，控制PLC的脈沖頻率達(dá)到伺服電機(jī)按照設(shè)定的位置進(jìn)行精準(zhǔn)位移，實現(xiàn)對三軸機(jī)械臂系統(tǒng)的軌跡控制?，F(xiàn)實生產(chǎn)中，該文設(shè)計出的控制系統(tǒng)有非常高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；伺服驅(qū)動；PLC；運動控制；實時監(jiān)控

中圖分類號：TP241" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0054-04

Abstract： Based on the extensive application of the three-axis manipulator in industrial production and its operation control requirements， a three-axis motion control system is designed by using PLC as the core controller， which combines servo motor， sensor， touch screen， AC servo device， industrial control computer and screw worktable. Siemens configuration host computer software WinCC completes the real-time monitoring of the system. The precise positioning of the whole system can be completed after the program is downloaded to the system platform， and the operation of different running trajectories of the manipulator can be realized. In the space trajectory control， the powerful computing ability of the industrial control computer is used to transmit the position data to the programmable controller， and the pulse frequency of the PLC is controlled to achieve the precise displacement of the servo motor according to the set position， and the trajectory control of the three-axis manipulator system is realized. In the actual production， the control system designed in this paper has a very value of high application.

Keywords： manipulator; servo drive; PLC; motion control; real-time monitoring

伴隨智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在高精度生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如焊接、工業(yè)搬運、涂膠等環(huán)節(jié)。其中，以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，以電動機(jī)為控制對象的三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的應(yīng)用價值。本文以KV-8000為控制器設(shè)計了一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的三軸伺服控制系統(tǒng)，組態(tài)西門子上位機(jī)軟件WinCC對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，操作簡捷，參數(shù)修改方便。三軸機(jī)械臂可以進(jìn)行精準(zhǔn)定位、牢固抓取、移動，極大提高了自動生產(chǎn)線的作業(yè)能力和效率，驅(qū)動現(xiàn)代制造業(yè)及自動化技術(shù)的大力發(fā)展。

1" 機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)

1.1" 三軸機(jī)械臂平臺結(jié)構(gòu)

三軸機(jī)械臂主要由X、Y、Z軸移動平臺、傳感器、伺服電機(jī)、可編程控制器和工控計算機(jī)等組成。其中，三軸模組分別用伺服電機(jī)進(jìn)行精確定位控制機(jī)械臂的位置移動。P1、P2、P3為X、Y、Z軸移動平臺上的傳感器，P4為機(jī)械臂的夾持裝置，可以對工件準(zhǔn)確抓取完成搬運動作。三軸機(jī)械臂主要通過傳感器采集信息，用PLC連接伺服電機(jī)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，可編程控制器是機(jī)械臂的核心，將編譯好的程序?qū)隤LC，在同一時間周期循環(huán)重復(fù)性動作實現(xiàn)機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位、自動抓取、穩(wěn)定位移等[1]，如圖1所示。

1.2" 硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示，主要由PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)和傳感器等部分組成。外部信號通過傳感器監(jiān)測后輸入到PLC內(nèi)部進(jìn)行邏輯運算處理，再經(jīng)過PLC輸出單元向X軸、Y軸、Z軸伺服驅(qū)動器和氣缸裝置及電磁閥發(fā)出信號，驅(qū)動機(jī)械手手部裝置中吸盤或夾爪完成指定的動作。各組成部分的功能如下。

1）伺服電機(jī)：本設(shè)計選用匯川SV660P系列交流伺服驅(qū)動器。功率范圍為0.4～7.5 kW，支持Modbus、CANlink等通信協(xié)議。具有位置、轉(zhuǎn)矩、速度和全閉環(huán)控制4種控制方式，提供自適應(yīng)調(diào)節(jié)剛性表設(shè)置、慣量辨識及振動抑制等功能，運行安靜平穩(wěn)，定位控制更加精確，能滿足控制系統(tǒng)的要求。位置指令通過H05.05設(shè)定，H05.05數(shù)值的正負(fù)決定了電機(jī)轉(zhuǎn)速的正負(fù)。電子齒輪比設(shè)定范圍為

2）PLC控制器：基恩士公司的KV-8000系列可編程控制器具有16點輸入及16點輸出端口，配置1個KV-XH16EC運動控制模塊后最大可控制5個伺服驅(qū)動器，通過KV-8000型PLC控制3個伺服驅(qū)動器去驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸上的伺服電機(jī)運動。PLC組態(tài)如圖4所示。

3）觸摸屏：控制系統(tǒng)選擇威綸通MT8102IE觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。觸摸屏在系統(tǒng)平臺中有著非常重要的作用，包含HMI硬件組態(tài)和畫面組態(tài)軟件兩部分。

4）傳感器：將光電傳感器放至機(jī)械臂平臺的X、Y、Z軸處原點和左右極限處，可以有效控制三軸模組的運動情況。

5）電磁閥：用于控制機(jī)械臂手部裝置的抓取和松開等動作。

2" 機(jī)械臂的控制原理

三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、動力源提供、伺服電機(jī)、傳感與檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制單元組成。本文設(shè)計控制系統(tǒng)平臺，通過工控計算機(jī)中西門子WinCC組態(tài)軟件與可編程控制器進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換，設(shè)定位移及速度等參數(shù)確定PLC輸出信號，驅(qū)動伺服電機(jī)按照設(shè)定的速度完成絲桿運動[3]。系統(tǒng)有手動控制、點動控制、自動控制3種模式。手動控制可以對系統(tǒng)設(shè)定速度，操作者通過按鈕操作軸系運動到達(dá)指定的空間位置。點動模式可以通過觸摸屏輸入空間坐標(biāo)點的值和各個軸系的運動速度，實現(xiàn)機(jī)械臂的精確定位。自動模式下可將程序下載至PLC中，完成機(jī)械臂重復(fù)運動?？刂葡到y(tǒng)通過工控機(jī)編寫程序計算出各軸的運動速度，動態(tài)傳輸至組態(tài)軟件中，實時修改PLC的高速輸出端發(fā)出的脈沖頻率，達(dá)到預(yù)設(shè)定的運動軌跡。

3" 機(jī)械臂控制系統(tǒng)程序設(shè)計

通過基恩士KVSTUDIOVer-11G編程軟件，編寫程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的運動控制過程。程序框架采用調(diào)用子程序方式，分別編寫了報警及復(fù)位、初始化、氣缸控制、伺服控制、真空控制、啟動、停止、運行、手動自動切換和信號交互等子程序，如圖5所示。

在機(jī)械臂運行前，需要調(diào)用初始化程序?qū)?nèi)部寄存器及外部設(shè)備進(jìn)行歸零操作，通過使用指令控制使伺服電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回到機(jī)械原點的操作。回零操作完成以后，可根據(jù)不同的需求響應(yīng)請求啟動、停止、氣缸控制和伺服控制等功能。主程序中還設(shè)計了手動控制和自動控制切換功能模塊，其中自動控制模塊中可以完成不同軌跡的選擇。

在完成不同軌跡的選擇之后，便可以對伺服電機(jī)進(jìn)行操作，完成機(jī)械臂系統(tǒng)在不同場景中的使用。下面對不同子程序?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行分別闡述。

3.1" 尋零子程序

利用PLC指令控制伺服電機(jī)執(zhí)行X軸、Y軸、Z軸回原點動作，伺服電機(jī)上電后不執(zhí)行尋零動作，以掉電前步進(jìn)電機(jī)所在的位置作為原點位，通過KV-XH16EC運動控制模塊，設(shè)置匯川伺服電機(jī)H05.30原點復(fù)歸使能控制、H05.31原點復(fù)歸模式、H05.36機(jī)械原點偏移量等參數(shù)，使伺服電機(jī)按照預(yù)先定義好的位置尋找參考點。尋零子程序如圖6所示。

3.2" 報警及復(fù)位子程序

當(dāng)機(jī)械臂超出軸距范圍或物料運輸過程中發(fā)生碰撞時，要及時切斷伺服電機(jī)的電源使機(jī)臺停止運行，并通過PLC程序控制指示燈閃爍及蜂鳴器報警提示操作人員。待操作人員解決故障及危險后，可對機(jī)械臂控制臺進(jìn)行初始化復(fù)位操作，使機(jī)械臂控制系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài)。

3.3" 伺服控制子程序

通過UREAD指令控制伺服電機(jī)的軸極限原點讀取，捕獲軸系輸入輸出狀態(tài)及硬件輸入。PLC中DM數(shù)據(jù)存儲位地址，如DM20012.0標(biāo)記軸系正限位、DM20012.1標(biāo)記軸系負(fù)限位、DM20012.2標(biāo)記軸系原點。通過伺服驅(qū)動器控制軸系使能、報警及錯誤清除、狀態(tài)讀取、軸系定位地址的寫入、位置偏差、位置標(biāo)志等各種伺服動作完成監(jiān)控操作。

3.4" 自動控制-程序設(shè)計

自動控制中軌跡一要求啟動按鈕按下后，機(jī)械臂在3個軸上分別移動，最終移動至供料區(qū)平臺處，機(jī)械臂手部裝置抓取物料移動至放料區(qū)指定位置后放下物料[4]。抓取物料和放下物料的位置需要事先通過機(jī)械手的移動來獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本設(shè)計中假設(shè)抓取物料的坐標(biāo)分別為8 860，8 656，9 210，放置物料的坐標(biāo)分別定位為-12 140，11 802，12 134。上述位置均為相對于軸系原點的絕對位置，將數(shù)據(jù)寫入PLC程序中，通過觸摸屏可以進(jìn)行取料、放料位置寫入及調(diào)試工作。機(jī)械臂從取料區(qū)至放料區(qū)多次重復(fù)移動，直至物料在放料區(qū)按照存儲要求存放。軌跡一的程序流程圖如圖7所示。

軌跡二要求將物料按照圓形形狀進(jìn)行存放，軌跡三要求物料在存放區(qū)按照自定義圖形進(jìn)行存放。其控制流程和自動控制方式與軌跡一程序類似，從取料區(qū)將物料抓取放置到放料區(qū)，物料放置位置發(fā)生變化。程序編寫時只需設(shè)置和修改物料的坐標(biāo)參數(shù)即可。當(dāng)機(jī)械手運行軌跡發(fā)生變化時只需要改變自動控制方式下的程序，并通過觸摸屏程序?qū)\動方式進(jìn)行修改和設(shè)置即可實現(xiàn)。

4" 上位機(jī)監(jiān)控界面

組態(tài)上位機(jī)參數(shù)設(shè)置監(jiān)控畫面如圖8所示，可以設(shè)置機(jī)械臂的軸系使能、取料位置、放料位置、移動速率、精度選擇、報警界面、I/O監(jiān)控和功能選擇的軌跡選擇等，方便操作人員及時查看。

5" 結(jié)論

本設(shè)計主要解決工業(yè)自動化中機(jī)械手的精確控制問題，設(shè)計了基于PLC的三軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)。通過對現(xiàn)實應(yīng)用中運動軌跡的分析，實現(xiàn)機(jī)械臂在不同控制方式下搬運、抓取、位移等動作的實現(xiàn)，完成將物料從供料區(qū)運送到放料區(qū)并按照一定形狀進(jìn)行自定義儲存的要求。程序按照模塊化設(shè)計思路編寫，通過改變自動控制程序或修改上位機(jī)監(jiān)控界面參數(shù)，完成利用三軸機(jī)械臂進(jìn)行物料搬運的工作，很好地詮釋了智能制造在現(xiàn)實生產(chǎn)中的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉燕，鄒萍，管文娟.基于PLC的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2016，38（7）：21-24，36.

[2] 張光臨，孫守林，王琳，等.基于PLC和組態(tài)王對三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2018，40（11）：93-96.

[3] 姜帥，劉瀛，胡俊宏，等.基于PLC的直角坐標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2021（2）：17-20.

[4] 吳軍，鄭小軍.基于PLC的坐標(biāo)式機(jī)械手的設(shè)計[J].科技視界，2017（22）：36-37.