基于PLC的自动取封盖机械手控制技术.pdf

第 4期 总第 1 8 5期 2 0 1 4年 O 8月 机 械工 程与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON NO． 4 Aug ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 4 0 1 7 9 0 2 基于 P L C的 自动取封盖机械手控制技术 黄金凤 ，张彦松 河北联合 大学 机 械工程学院 ，河北 唐 山0 6 3 0 0 9 摘 要 主要介绍 了自动取 盖和封盖机械手 的技 术实现 ，研 究 了轨迹规 划、数据通讯 、软件 开发等关键 技术 。 该 机械手能够进行手 动、 自动两种方式 的操作 ，实现 了在 无人条件下取、封桶盖的过程 ，使危险环境下 的作 业变为可 能。系统通 过双 P L C和运 动控制模块实现伺服驱 动和过程控制 ，通过 上位机 实现整个 过程的监测。 关键 词 P L C；机械手 ；运 动控 制；I P C 中图分类号 T P 2 4 1 文献标识码 A 1 自动取 、 封盖 机械 手 结构 本文对实现 圆柱型桶 的桶盖取盖或封盖的机械手 控制技术进行研究 。桶的高度约 1 ． 5 IT I ， 用来装放射 性废 料 或有 毒化 学 品 ， 盖 与桶 靠 1 0个 螺栓 进 行 固定连 接 。对 此类 桶操 作 的 自动 取 、 封 盖 机 械 手 见 图 1 具 有 5个 自由度 水平移动 、 升 降运动 、 进行精确定位 的 x _ y平 台的 X 方向移动和 y方向移 动以及该平 台末 端的旋转运动。机械手 的末端带有 1 0套拧 紧机及桶 盖的抓紧装置。水平及升降机构通过水平运动及升降 运动使 x _ y平 台移动到预定位置 ， 再通过 X _ y平台的 X 方 向和 y 方 向的 微 小 移 动 以及 末 端 的旋 转 运 动 使 拧紧机的套筒轴线对准螺栓 中轴 ， 然后下 降至作业位 置进行桶盖 的夹紧及螺栓 的拧紧或拧松操作。 1一水 平 移 动 伺 服 电机 ； 2_ Ⅲ 升 降 运 动 伺 服 电机 ； 3 一可 以进行 X， y方向移动的 Xy平 台； 4 一旋转末 端； 5 一用螺栓连接 的桶及桶盖 ； 6 一输送辊道 图 1 自动取 、 封盖机械手结构 机械手控制系统应具有 自动取、 封盖和手动操作 ， 及 对 自动取 、 封 盖过 程 监 控 和 数 据 采集 、 记 录 等 功 能 ， 同时具有可靠性高、 易操作、 易维护 、 易升级改造等特 点 。由于系统要求操作柜与机械手本体隔离 ， 机械手 控制涉及到 5个 自由度 的伺服运动控制和 1 O个拧紧 轴程序控制 ， 且控制单元选 自多个厂家 ， 控制信号数量 和种类繁多， 因此搭建基于 P L C的控制系统是关键技术。 2 控 制系统硬 件 平 台 图 2为控制系统硬件平台结构框图。系统采用双 P L C控制 ， P L C 1 装在操作柜内 ， P L C 2装在电气柜内。 P L C 1采用 三菱 Q 系列 模块式 P L C， 配置 5 槽 基板 、 电 源模块、 Q 0 2 H 高性 能 C P U 模块 、 3 2点 数字输 入模 块 、 1 6点数 字输 出模 块 、 通 讯 模 块 R 2 3 2 、 4 8 5 各 1通 道 和 C C _ L i n k模块各 1块 ， 各模块插在基板插槽内， 模块间通过基板内部总线连接。数字输入模块连接操 作台面各按钮 、 旋钮开关 ， 数字输出模块连接操作台指 示灯 、 喇叭等。通讯模块上的 R S 2 3 2通道与上位机通 讯 ， R 4 8 5通道 与 1 O台拧 紧机通 过 Mo d b u s 协 议通 讯 可大大减少设备之 间连线 。其 中， P L C 1通讯模块为 主站 ， 1 O台拧紧机各为 1个从 站。P L C 2采用三菱 Q 系列模块式 P L C， 配置 8槽基板、 电源模块 、 Q 0 2 H 高 性能 C P U模 块 、 3 2点数 字输 入模 块 、 C C L i n k模块 、 4 轴定位模块、 2轴定位模块各 1块、 1 6点数字输出模块 2块 ， 负 责 自动 取 封 盖 运 动 控 制 、 过 程 控 制 和逻 辑 控 制。数字输入模块连接各伺服放大器、 变频器状态输 出点和限位开关等 ， 数字输出模块连接各伺服放大器、 变频器控制输入接点。4轴定位模块控制 X - y旋转 电 机驱 动器 ， 为 了与选 购 的驱动 器相 匹配 ， 采用 差动脉 冲 输 出定位 模 块 。2轴 定 位 模 块 以 S S C NE T 高 速 通 讯 方式控制提升 、 平移伺服 电机驱动器， 便于对运动参数 进行监控 ， 同时可减少 系统连线 。两个 P L C间通过 c C L i n k通讯进行数据交换 ， 其中， P L C 1中的 C C _ L i n k 模 块 为主站 ， P L C 2中的 C C _ L i n k模块 为本 地站 。 采 用 三 菱 自 带 增 量 式 编 码 器 伺 服 电 机 HC S F S 1 5 2 ， 并 配备三 菱 MR ～ J 2 S 一 2 0 0 B型 三相 2 2 0 V 供 电的伺服放大器。 3 机 械手 运动 轨迹及 数 据通讯 3 ． 1 运 动 轨 迹 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 9 ；修 回日期 2 0 1 4 0 1 1 8 作 者简介 黄金凤 1 9 6 5 一 ，女 ，河北 昌黎人 ，副教授 ，硕 士，主要从 事微型计算机技术和机 电一体化技术的教学科研工 作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 O 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 4年 第 4期 机械手主要进行平面内的运动作业 ， 如图 3 所示。 对于每个循环操作 ， 机械手末端都要经过左移、 下降、 X方向微动、 y方 向微动 、 旋转 、 取盖或者封盖、 上升、 右移 的运 动过 程 。因此 ， 机械 手 的运 动 为连 续 轨 迹 运 动 ， 需要在工作空间内做插补计算 ， 并保证运动达到一 定的轨迹精度 。要求水平运动和上下运动的过程为静 止、 加速、 减速、 静止， 即要求平台在轨迹起点和终点的加 速度和速度为零， 以此来减小过程冲击和残余振动。 P L C1 P L C 2 画 面 匿 周 逐 堰 i--z 恒 [ 酷羹 萋 墼 [ ] 图 2 控 制 系统 硬 件 平 台结 构 框 图 水平左移 ●● 一 膨 动 图 3机 械 手 轨 迹 图 3 ． 2数 据 通 讯 在所设计 的控制系统 中， 轨 迹规划计 算在 C P U 单元进行， 计算结果通过数据总线提供给运动控制模 块 ， 位置控制模块在插补点间采用 P VT插补控制 2个 伺服电机联动。C P U 与位控模块间的运动数据通讯 可采用 以下 3种方式 ① 逐点传递 ， C P U 单元每完成 一 插补点计算 ， 即将数据传递给位控模块 ， 与此同时 ， 位 控模 块控 制机 械手 完 成 前两 个 插 补 点 间 的运 动 ， 即 轨迹规划与运动控制 同时进行 ， 该方式适用于位置不 断变化的场合；②批量传递 ， C P U 单元预先连续对机 械 手整 条运 动路径 的各 插 补 点进 行 计 算 ， 并 一 次性 将 数据传递给位控模块 ， 同时， 位控模块控制机械手进行 前一条轨迹运动 ， 批量数据 的传递可以在作业间隙进 行 ， 对 运动 控制周 期影 响小 ， 但需 要预 知机 械手 的运 动 轨迹 ； ③查表法 ， 将机械手可能 的运动轨迹 的所有插 补点运动信息预先计算并传递给位控模块中储存 ， 运 动 过程 中根 据位 置信 息 查 表 取得 各 插 补 点关 节变 量 ， 该方式在运动过程 中单元间数据传递量小 、 响应快， 尤 其适用于轨迹数量有限的场合。 基于上述分析， 本系统中运动轨迹数量有限， 两轴 定位模块主要针对水平移动和上下移动两个方 向， 机 械手从水平到固定位置并上升或者下降到一定 高度 ， 位置固定， 因此采用查表法。位控模块根据编号查表 取得各插补点关节位置和速度信 息控制机械手运动 。 对于外购的 Xy平台 ， 由于每次的位移量不一致 ， 并且 需要精确计算 ， 利用四轴运动控制模块 的逐点传递法 进 行控 制 。 4软 件设 计 4 ． 1 P L C程序设计 系统主要由初始化功能、 自动操作功能、 手动操作 功 能 、 数据通讯功 能 、 轨迹规划功能等 程序模块构成 。 P L C C P U采用循环扫描机制工作 ， 在每个扫描周 期都要完成 自检、 I ／ O更新 、 数据通讯等操作。为了保 证系统对机械手的实时监控 ， 需要合理设计软件结构 、 减小扫描周期 。本程序采用结构化设计 准则 ， 将具有 独立 功 能 的程 序段 编 制成 一 个 模 块 ， 采 用 分 层嵌 套 形 式 。这样 在一 个 扫描周期 根 据功 能需要 调用 相应 功能 模块 ， 就可以大大减小扫描周期， 提高程序执行速度， 便 于理解 和调 试 。 4 ． 2上 位机监 控软 件 上位 机监控 软件 是采 用 NI 公 司的 L a b v i e w 进 行 开发的人机界面， 通过与 P L C通讯模块的通讯来完成 过程数据的监控 、 记录查询、 报警信息查询 、 参数设置。 上位机程序同样采用模块化编程， 软件包括 3大部分 初始化模块 、 过程模块和通讯模块。过程模块 中又包含 动画模块 、 拧紧过程监视曲线模块等等。对拧紧过程采 用扭矩一 角度及扭矩一 时 间 曲线 图进行 监视 ， 在规 定 的旋 转角度和时间内扭矩值在设定的范围内即认定拧紧过 程合格。软件的人机界面按功能分成多个界面 ， 由实体 化的图标与按钮来组态 ， 使工人更容易理解与操作。 图 4为控制 系统主界面 。其包括动画显示区、 拧 紧机控制区、 五轴伺服操作 区、 各限位开关指示灯及其 他界 面 的按 钮 。动 画显示 区实 时显示 机械 手 的位置 及 作业情 况 ， 有利 于操 作人 员 直 观 地 了解 机械 手 的运 行 状态 。拧 紧机控 制 区域 显 示 拧 紧机 的运 行 状 况 ， 可 以 对单轴进行 电动操作 。对于伺服电机可通过点击相应 按钮的方式进行伺服电机的寻零操作 、 速度设置等。 謦 鼍 墨 曲 翊 誊誊_．； 叠 警 ；一． 粥基 示区 譬 翟 童 到 毒 薹 ； 誊 ； i 誊 暑； 掌 灏鲴 i 毒 ； 奢 t吼 } 一 一 ‰舀 芦 笔 一 尊 ● f 譬潭 一 嚣 锪 ； 蝴誊 霉 ； ∞ 汹 Ⅷ ∞ ∞ ∞ 捌触剖剖 ￡ 翻 图 4控 制 系 统 主 界 面 另外 ， 通过其他指引按钮可以显示其他界面， 可以 进 行 拧 紧 轴 的 参 数 设 置 、 查 看 拧 紧 完 成 后 的拧 紧 力 矩 一角度 曲线 、 过程记 录查 询 、 报 警 记录查 询 和过程 参 数设置等 。 5 结语 本文以“ P L C定位控制模块” 为核心附以上位机 监控 软件 搭建 了 自动取 封 盖 机 械 手控 制 硬 件 平 台 ， 研 究了轨迹规划、 参数传递、 软件编程等关键技术 ， 实现 了机械手的运动控制 。该系统可靠性高 、 组态过程简 单， 信息处理速度快 ， 能够满足实时控制的要求 ， 且不仅 可以实时监测 ， 还可使得机械手的操作变得直观容易 。 参考文献和英文摘要转第 1 8 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m