基于PLC的机器人制孔执行器控制系统设计.pdf

1 4 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7 期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 1 4 4 0 3 基于 P L C的机器人N； L 执行器控制系统设计 员俊峰姚艳彬宗光华 北京航空航天大学 机器人研究所 ， 北京 1 0 0 I 9 1 Th e d e s i g n o f r o b o t d r i l l i n g e n d e f f e c t o r c o n t r o I s y s t e m b a s e d o n PL C YUA N J u n - f e n g ， YAO Ya n - b i n， Z ONG G u a n g - h u a R o b o t i c s I n s t i t u t e， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a r 【 摘 要】 针对 应用于 飞 机铝合金、 钛合金以 及叠 层部 件自 动制 孔的 机器 人制孔执行器， 基于P L C 开发 了一套机器人制孔执行器控制系统。根据需要完成的工作任务的要求和特点， 详细分析和设计 了控 j制系统的总体框架、 硬件模块、 软件模块以及上位机界面模块 、 现场测试证明， 该控制系 统操作方便、 性能 i ；稳定， 能够极大提高飞机部件的制孔效率和装配质量。 ； ； 关键词 P L C； 机器人制孔执行器； 控制系统 ； 【 A b s t r a c t 】T h e c o n t r o l s y s t e m t h e r o b o t d r i l l i n g e n d C f c t o r d e v e l o p e d b a s e d o n P L C ．T h e ； i rob o t d rilling en d eff ec 加 r c an d r ￡ ita n i“ m 。 ，alM m in u m zo y an d lam in a te d c。 m p 。 s 把 5 c 。 m p 。 舢 i ；0 厂t h e a i r c r a f t s ．The w h o l e f r a me w o r k ， h a r d w a r e m o d u l e ， s o f t w a r e m o d u l e a n d i n t e rf a c e m o d u l e w e r e d e j s i g n e d a n d a n a l y z e d i n , d e t a i l acc o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t a n d c h a r act e r i s t i c o f t h e t ask ． The t e s t i n g o n - j p r o v e d t h at t h e c o n t r o l s y s t e m w as s t a b l e a n d e a s y to u s e ， a n d c a n i n c r e as e t h e d r i l l i n g ef fi c ie n c y a n d j j as s e m 6 q u n ity of th e a irc r af t c 。 m p 。 n e ，2f m m e e ly ． ； T、 K e y w o r d s P L C ； R o b o t d r i l l i n g e n d e f f e c t o r ； C o n t r o l s y s t e m 中图分类号 T H1 6 ， T P 2 4 文献标识码 A 1弓『 言 iI 罔 内 对于 机器人 制孔系 统的 研发尚 处于 起步阶 段， 机 器人 孔加工在航空制造中占有重婴地位， 有文献报道在一条机翼 制孔系统的关键是歼发高精度、高效率的多功能制孔执行器， 其 的装配线上每年约要钻削加工 4 0 0 0万个孑 传统的人J 二 钻孔， 中多功能制孔执行器控制系统的没计对于系统的整体性能的实 工作量大， 过程枯燥， 钻孔的效率低， 孔的质量难以保证一致性， 现具有重要的作用。主要就应用于飞机钛合金、 铝合金大型壁板 批量化生产人力和物力成本高。 由于机器人制孔系统一般采取工 制孔的多功能制孔执行器，设计并开发了基于上位机和P L C的 件不动机器人移动的方式， 其灵活性较好 ， 且对工件的适应性较 多功能制孔执行器控制系统。 好 ， 同 时 能 够 极 大 的 提 高 制 孔 效 率 和 精 度 ， 在 外 已 得 到 广 泛 的 2 NT L 执行器的基本组成 研究和应用。美国E O A公司与波音公司也联合 产研制_ r 种 制孔执行器由切削运动 元， 压紧单元， 传感单元、 支承单元 机器人多功能钻削系统 E O A ， 该系统H J 以完成对钛合金 、 铝合 组成。切削运动单元提供制孔过程中必须的主轴转动和进给运 金、 复合材料以及叠层等飞机蒙皮的钻孔、 锪孔和铰孔 。美国 动； 压紧单元提供压紧力， 用于保持制孔执行器与工件之间的位 E l e c t r o i m p a c t 公司与英国空客公司联合设计了一套0 L L自动 置关系； 支承单元一方面为钻孔末端执行器上的组件提供必要的 钻削系统 O ． N ． C ． E ， 0 ． N ． C ． E系统主要用于波 F ／ A M8 E ／ F的机 连接和支承， 一 方面提供和T业机器人的连接。制孔执行器实 翼后缘襟翼的钻孑 L 和锪孔 i。 休 ， 如 1 所示 。 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 0 ★基金项 目 家科技支撑 汁划项 目 2 0 0 7 B A F 2 7 B 0 3 ● ●◇●◇●● ●◇ ●● ●● ●●●◇●． ◇●◇●◇● t o n o mo u s Di v i n g a n d S t e e r i n g o f U n ma n n e d Un d e rw a t e r Ve h i c l e s 1 EEE t o n o mo n s u n d e r wa t e r v e h i c l e s i n t h e d i v e p l a n e ，” I EEE J ． Oc e a n i c E n g i n e e r J o u r n a l o f O c e a n i c E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 3 ， 1 8 3 3 2 7 ～ 3 3 9 i n g ， 1 9 9 0 ， 1 5 3 1 5 2 ～ 1 6 0 2 G A n t o n e l l i ， S C h i a v e r i n i ， N ． S a r k a r e t a 1 ． A d a p t i v e C o n t r o l o f a n A u 一 6 蒋新松， 封锡盛等． 水 F 机器人． 沈阳 辽宁科学技术出版社， 2 0 0 0 t o n o mo u s Un d e r wa t e r Ve hic I e E x p e r i me n t a 1 Re s u l t s o n DI N， I EEE T r a n s 一 7 He a l t h y ．A， L i e n a r d ．D Mu hi v a r i a b l e s l i d i n g mo d e c o n t r o l f o r a u t o n o mo u s d i v a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 9 5 7 5 6 - 7 6 5 i n g a n d s t e e r i n g o f u n ma n n e d u n d e r w a t e r v e h i c l e s , I E E E J o u r n a l o f O c e a n i c 3P a n ～ Mo o kL e e ， S e o k - Wo nH o n g ， Y o n g K o n m D i s c r e t e - t i m e q u a s i - s l i d E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 3 ． 1 8 3 i n g mo d e c o n t r o l o f a n a u t o n o m o u s u n d e r w a t e r v e h Mc I E E E J o u r n a l o f O 一8 I ． L j u n g ， S y s t e m I d e n t i f i c a t i o n T h e o r y f o r t h e U s e r ．E n g l e w o o d C l iff s ． N J c e a n i c E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9 ， 1 4 3 ， 3 8 8 ～ 3 9 5 P r e n t i c e - Ha l 1 ． 1 9 8 7 4 d i s c r e t e a d a p t i v e v a ria b l e s t r u c t u r e c o n t r o l l e r h r mi mo r o y I EE E Tr a n s a c 一 9 D． Cl a r k e e t a 1．Ge n e r a l i z e 【1 P r e 【 t i c t i v e C o n t r o l - P a r t 1 ． T h e Ba s i c Al g o r i t h t i o n s o nC o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7 ， 5 3 3 4 9 - 3 5 9 l J． A u t o ma t i e a ． 1 9 8 7 ， 2 3 2 1 3 7 ～ 1 4 8 5 R ． C r i s t i ， A ．P ． F o t i s ， a n d A j ．He a l e y ， “ A d a p t i v e s l id i n g mo d e e o n t r o l o f a u 一 1 0 陈厚泰． 潜艇操纵性． 北京 国防工业出版社 ， l 9 8 1 6 6 8 第7期 员俊峰等 基于 P L C的机器人制孔执行器控制系统设计 1 4 5 电器， 用于系统警报输出， 电机伺服、 警报复位等。 4 上位机和下位 机通信部分 完成上佗机和 卜 位机的数据 冗交互 ， 完成数据显示储存 ， 切削参数修改下载 、 警报 显示等。制孑 L 元 执行器控制系统结构示意图， 如图 2 所示。 图 l制孔执行器 2 ． 1切削运动单元 该单元的作用就是提供钻孔需要的主轴转动和进给运动， 主 轴运动 南一个交流伺服 电机经过皮带轮带动主轴头来实现 ， 主轴 运动需要进行速度控 制； 进给运 动南另外一 个交流伺 服电机经皮 带轮带动滚珠丝札米实现， 进给运动需要进行速度位置控制。系 统采用数模转换模块输 m电压来控制主轴速度 ， 采用定位模块输 出脉冲控制进给位置和进给速 度。 2 _ 2压紧单元 压紧日 元采川气动压紧 ， 由两个汽缸驱动压脚去压 紧待加工 工件 ， 可起到增加系统 刚度 ， 减小甍层材料间隙， 削弱 系统振动等 作用 ， 两个汽缸由一个一位五通 电磁阀实现压紧松丌拄制 。在系 统巾， 我们采用 P L C的输出点发出信号， 控制电磁阀， 完成压脚 的 紧和松开。 同时还通过检查汽缸的行程开关实现系统的节拍 保护， 检测压脚是否压紧 松开， 增加了系统的可靠性。 2 ． 3传感单元 传感单元包括力传感器 ， 气缸行程开关 ， 进给行程开关。 力传 感器的作用是实时反应钻削力变化， 并通过分析力的变化来得到 刀具磨钝等信息。气缸行程玎天来限制气缸的行程， 进给的前行 程开关用来防止超程， 后限位开关作为原点开关。我们利川 P I C 的输入点来采集丌关信号， 通过 P L C编程实现具体的运动控制 ， 采川 一 个模数转换模块文时采集力传感器信号用于系统控制。 3制孔执行器控制系统设计 3 ． 1系统总体 设计 为了实现参数设置、 报警显示等人机交互功能， 系统采用基 于 P C机和 P I _C的控 制方案，这样 叫 以由 P c强大的人机交互能 力来弥补 P I c这方断的不足， P c P L C之间采用半r ] 通信， 通 信协 议选用三菱编程 口协议。P c作为 j 位机 ，完成数据显示储 存 ， 切削参数修改下 载 、 警报 显示等功能 ； P L C作 为下位机 ， 完成 信 号采集 、 运动控 制、 警报输 出等功能。 3 - 2系统硬件设计 3 -2 ． 1系统组 成 该系统由输入 、 控制运算 、 输出、 通信四部分组成。 1 输入部分 包括按钮输入和信号检测。 操作按钮由人 1 输 入 ， 完成切换 I 作模式 ， 系统启动停 止， 急停输入等操 作。信号检 测则是通过系统的传感器来榆测系统的运行情况 ，出现异常 ， 报 警输 出并停机 。 2 控制运算部分 由 P I C实现 ， 由控制系统应用软件来完 成信号的输入 、 处理、 控制输出等主要功能。 3 输 出部分 输出部分包括 电磁 阀， 用于汽缸控制 ； 中问继 图 2制孑 L 执行器控制系统结构图 3 ． 2 ． 2 P L C选型和 输入输 出口分 派 经分析共有 1 7 个 关输入量 ， 1 8个开关输出量。根据输入 输出信号的数量、 类型和控制要求， 同时按照 1 ／ O点数 2 0 ％～ 3 0 ％ 的备用量原则 ， 系统选用了三菱 F X 2 N 一 6 4 MT 号的 P L C作为 控制核心， 有 3 2个输入点和 3 2个输出点。脉冲输出模块选用_一 菱 F X 2 N I O P G， 陔模块的脉冲序列最大可以达到 1 M Hz 。D ／ A转 换模块 A ft 转换模块选用 菱 F X 2 N ～ 4 D A，其数字输入位 1 2 。MD转换模块选用i菱 F X 2 N 一 4 A D， 其数字输出也 为 l 2 位 。 制孔执行器控制系统配备一个电气控制柜。P L C， 变压器， 各种继 电器 ， 主轴和进给电机伺服放大器等均安装存控制柜中。该制孔 执行器控制系统 的 I ／ O分配表， 如表 1 所示 。 表 1制孔执行器控 制系统 1 ／ O 分配表 3 ． 3下位机程序设计 三菱 P L C 一 般有j种编程方式 指令表编程、 梯形图编程 、 步进功能 编程 S F C ， S F C是根据机械流程来进行顺控设计的 输入方法，这种方法的优点是按照机械动作来进行程序流程设 计 ， 在运动控制 中优点突出 ， 利用步 的慨念来设计 程序使我们把 注意力集中存活动步中， 使编程更容易。 根据系统控制需要， 程序 采用模块化的设计思想， 编写了三种二 r 作模式 自动模式、 手动模 式 、 回零模式 ， 三种模式的切换由 个转换开关来完成。 1 4 6 机 械 设 计 与 制 造 No． 7 J u 1 ． 2 0 1 0 整个系统 的软件主要包括以下部分 化模块 、 脚控 制 模块 、 压紧力采集模块 、 主轴速度 制模从 、 进给运动拎制模块 、 警报处理显示模块 1 初始化模块 陔模块对符软J e ff 进仃复 ， 然后冉进人系 统启动阶段 。 2 压脚控制 根据时lh ] J l{ 千 火 I ， 求 训『 U融 ， 从I 控制气缸来实现压脚 的压紧和松 l ‘ 3 压紧力采集 由 F X 2 N 一 4 A l 】 求果 J 他感 f U - ， 并利用 F R O M ／ T O指令传送钊 1 兀的数 奇仃 { J ． 机 去实时读取 。 4 主轴变速控制 主轴电饥采川述度 制 ‘ ， 通过改变输 入电压的大小来凋挚电机的转述 f U 7 I F X 2 N 一 4 D A 块输 电压值可以随进给位置来改 ， 从 脱 川J J lf 】 段的 速 5 进给运动控制 进给 电饥驱动丝{ J 米奠脱进给且 耋 动 ， 使川 F X 2 N I O P G脉 冲输 出单元来 现该电f J 【 的f t 述 控制，通过 输出不同频率和数量的脉冲完成电机的f 控捌干 述 制 6 警报处理模块 该模块通过 制 钟。 、 口 ． 永褒 检测系 统 出现 的意外情况 ， 给Ⅲ十 同 心的报警蚪 机 该系统的顺序控制功能图， 女 3 所 罔 3系统顺序 捌功能陶 4上位机界面设计 在 自动制孔执行器的生r 过 ， f J ． 此 削参数等斋 场 调试 ， 另外在生产过程 L } 1 还需 篮史 胁 系统 的运 状 此 在整个程序设计l1 1 用事件驱动术⋯ P I C发送数 ， 采川定时 读取的方式来自动接收 P I C传过术的数据 俐 没汁 ， 使片 j 1 r 多线程技术 ， 一 个线程负责 P I C干 计 仉n 。 数{ l { 通 ， 个线 程负责处 用户界面信息和操作。 选』 1 J V B ． N E 。 。 。1 束编写 L C 0 L 的 通信和控制软件实现上位 J L ,t l l P I C之州的 通信下 介绍P L C和计算机之问的串行通衍 审设计 4 。 1上位机和下位机通信协议 上位机与下位机采』 } J 编 口通 协议利J j J V I } ． ＼ E T的 一 r i a l P o r t 控件实现上位机卜 了 - 三 菱 F X 2 N系列 P 1 C的通讯， F X 2 N系 列 P L C和工控机的通信足以卞机发⋯ 始命令， P I ， C埘 做f f } 响应的方式进行通信的。通信J 有 4种命令 泼命令 、 与命令 、 强 制 化和 制复 、 通过这 4 利， 命令， 上位机可实现对 P L C的监 控 数 渎 。 位机和 P L C之间的数据传输格式为R S 2 3 2 ， 波 特率为9 6 0 0 ， 传输的数据采用和校验。其通信协议的帧格式， 如 表2所爪 中S T X代表报文开始， C MD为命令类型， 数据段包 括命令对象干 字节数 ， E T X代表报文结束， S U MH和S U ML 为校 验干 n 的高f 及低 。利用该协议编写 P I J c通信程序 ，可以实现 P I C的系统 t 天量置何和复位， 数据寄存器数据的读取与写入。 表 2通信协议的帧格式 x 0 2 t { C MD 0 ． 1 ， 7 ， 8 数据段E T X 0 3 H S U MH S U ML 4 ． 2界面功能简介 饥 控 采川 V B ． N E T编写， 在该控制界面完成制孔 执行 系统的参数没 、 于动 步操作、 力传感器曲线图绘制、 系 统状态监控 、 警报内容输出等功能。 1 参数设置模块 参数 没酉模块作月 j 是没置功能模块 的参 数， 以及 L j 系统运i 十 关的一些町变量， 比如主轴电机的转速， 进 给电机的进给术 ， 『 他等 、 2 状态 乐模块 状念 显示模块的功能就是实时检测一些 系统状念， 比如力传感器的f c [ ， t轴当前转速、 进给轴当前速度、 运行 置等。 3 手动控制模块 该模块又町以分为三个部分， 主轴电机控 制 、 紧装置部分控制 、 进给运动控制。 主轴电机控制可以手动调 1 ， 电Y L I ,J 转速 ， 启动停止 ； 紧装置控制可 以手动单独控制 电磁 阀来驱动 缸 紧和松“ ； 进给电机控制部分则叮以手动的选择 定f 模式， 惆节进给率、 进行点动操作、 【 旦 】 零操作等。 4 自动控制模J 火 自动控制模块则是在系统自动运行模式 _ 卜 以控制系统 始t ML 、 停止等操作。 5 输入 视模块 这部分是 自动定时监视系统的各个开关 输入 ， 以他操作人员实时 了解系统的运行状态， 是 否正常， 以及 当系统发生警报【 f 1 『 及时发现战障原因。 6 输 “ 监视模J 火 该模块有两个功能， 一足监视系统的输出 状态， 以J 解 个系统的运行情况， 足可以通过点击来强制打 或断 对幢端l J ， 方便系统的调试， 此设定只有在手动模式 下 【 IJ ‘ 以使川 该功能 5 结束语 设计j 分析 r 用 E l 钭 { 合 、 钛合金以及叠层部件自动制 孔 的制孔执行{ * } 控制 系统 该系统设计完成后 ， 经过与机器人和 制孔执行 的职合州试 ， 整套系统运行 良好 ， 各项功能达到 r预 光波汁日怀， 系统连续厄 殳 障时问超过 2 4 d ine 。孔定位精度为 0 ． 3 1 1 1 1 1 1 ， 吐复定位精瞍为 O ． 2 ra m， 制孔效率可达4个／ m i n 。极大的 提高 r 十 J 【 部件 F 1 动制孔的效率和装配质量。 参考文献 1 Ru s s e l l Dc Vl ie g ． ONCE On e S i o s i t t s S h ‘u t u r e s ， 2 0 01 ． 5 4 6 7 - 7 7 4露常仞． x系列 P I 一 编程及心用E M] ． 北京 机械 1 业出版社， 2 0 0 6 5 何景瓷， 许{ 芏 ． P l C控制程序的模块化没汁[J ] ． 机床电器， 2 0 0 4 5 3 2 - 3 3