基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计_张丰华pdf

1、DOI :10.16526/ki .11 -4762/tp.2009.11.064计算机测量与控制 .2009 .17(11) 控制技术Computer Measurement & Control · 2191 ·文章编号:1671-4598(2009)11-2191-03 中图分类号:TP24文献标识码:A基于 PLC 的新型工业码垛机器人控制系统设计张丰华1 , 韩宝玲1 , 罗庆生2 , 石 琳2 , 黄 麟1(1.北京理工大学机械与车辆工程技术学院, 北京 100081;2 .北京理工大学机电学院, 北京 100081)摘要:作为物流自动化领域的一门新兴技术

2、, 近年来, 码垛技术获得了飞速的发展, 广泛采用码垛机器人对提高劳动生产率以及降 低生产成本有着十分重要的意义;在充分研究国内外工业码垛机器人的基础上, 设计了一种基于P LC 控制的新型工业码垛机器人控制系 统, 控制系统以触摸屏为人机交互界面, 以横河 FA -M3 PLC 为控制系统核心, 同时还根据码垛作业实际需要和工作流程的特点, 完成 了软件系统的编写;实际运行结果表明, 新型工业码垛机器人控制系统具有高可靠性和稳定性, 同时又具有良好的可扩展性和可维护性, 能满足码垛作业的实际需要, 符合工业应用要求。关键词:PLC ;工业码垛机器人;控制系统;软硬件设计与实现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 引言工业码垛机器人属于典型的机电一体化高科技产品, 对企 业提高生产效率、 增长经济效益、 保证产品质量、 改善劳动条 件、 优化作业布局贡献巨大, 其应用的数量和质量标志着企业 生产自动化的先进水平。 控制系统是工业码垛机器人最为重要 的组成部分, 对机器人码垛功能的实现及作业性能的保障起着 至关重要的作用, 直接决定着机器人的运动精度及工作效果。通过调查发现, 目前在用的工业码垛

8、机器人多采用 “ 运动 控制器+PC” 构架形式的控制系统。 这种控制系统以 PC 为硬 件平台, 依靠运动控制卡实现运动轴的实时控制。 虽然上下位 关系清晰, 但系统稳定性差、 可靠性低、 可扩展能力弱, 且功 能冗余, 性价比很低。 笔者所在科研团队设计的工业码垛机器 人控制系统, 以 P LC 为主控装置, 使 P LC 与相关器件的功能 融合达到理想的程度, 所构建的机器人控制系统结构精简, 节 能降耗, 具有很好的稳定性及可扩展性, 尤其可贵的是, 该控 制系统性价比很高, 适于工业现场应用。1 工业码垛机器人简介在充分研究国内外工业码垛机器人的基础上, 笔者所在科收稿日期:2009

9、-04-28 ; 修回日期:2009-06-07 。基金项目:某部委国家重点预研项目。作者简介:张丰华(1984-), 男, 硕士研究生, 主要从事工业机器人控 制技术、PLC 应用技术等方向的研究。韩宝玲(1957-), 女, 教授, 博士研究生导师, 主要从事特种机器人技 术、机电一体化技术等方向的研究。研团队研制出一种功能齐全、 性能稳定、 成本低廉、 结构简 单、 机动灵活的工业码垛机器人。具体设计指标如下:(1)性能参数:本体质量:1000kg ;最大抓取质量:60kg ;搬运速度:30m/ min ;堆码速度:20 次/min。(2) 工作范围:水平作业半径为 2.5m , 垂直作

10、业高度 为 2.4m 。(3)连续运转时间不小于 24h , 连续运转 8h 累积误差不 超过±5mm 。图 1 平衡吊机构原理图该工业码垛机器人采用图 1 所示平衡吊机构形式, 具有结 构简单、 使用方便、 维护节省的优点。 在该机构中, 构件 5 和 6 是两个原动件, 由于机构有两个自由度, 所以该机构的运动 是确定的。 杆系核心部分是一个平行四连杆机构, 由 A BD 、·2192 · 计算机测量与控制 第 17 卷DEF 、 BC 、 CE 四杆组成, 在 B 、 C、 D 、 E、 F 处用铰链连接, 其中 BC =DE 和 BD =CE 。该机器人主

11、体机构的优点在于, 无论机器人空载, 还是负 载, 在工作范围内的任何位置都可以随意停下并保持静止不 动, 即达到随遇平衡状态。 机器人机械结构的三维仿真设计效 果如图 2 所示。由于机器人具有相互独立的四个自由度, 相应 的机械结构也可分为四个部分:(1) 底座旋转部分及其驱动装 置 7;(2)水平移动部分及其驱动装置 5 ;(3)垂直移动部分 及其驱动装置 6 ;(4)手爪旋转部分及其驱动装置 8 。 各自由 度均采用交流伺服电机驱动。 机器人水平方向的运动由电机经 丝杠旋转带动构件 5 做水平直线运动来实现;机器人垂直方向 的运动由电机经丝杠旋转带动构件 6 做垂直方向的直线运动来 实现

12、。 底座及手爪部分有两个旋转自由度。 通过这四个自由 度, 实现码垛机器人抓手在空间内的灵活移动, 完成码垛 作业。1 , 2 , 3 , 4 -平行四连杆机构;5 -水平移动部分; 6 -垂直移动部分;7 -底座旋转部分;8 -手爪旋转部分 图 2 码垛机器人机械系统示意图2 工业码垛机器人控制系统硬件设计与实现根据工业码垛机器人整体设计指标及作业要求, 其控制系 统应满足如下要求:(1)四轴四自由度的协调控制, 实现高速、 稳定、 高效 运动;(2)示教控制技术, 实现路径规划; (3)实时性高, 动态响应性能好; (4)高可靠性、 安全性和稳定性;(5)友好的人机界面, 编程方便, 易于

13、操作; (6)硬件系统结构紧凑, 并具有一定的可扩展性。根据上述设计要求, 笔者和科研团队其他成员们共同设计 了如图 3 所示的工业码垛机器人控制系统硬件构架。需要指出, 工业码垛机器人控制系统的核心是横河 F A - M 3 P LC 。 该 P LC 功能多、 性能好、 处理速度快和扩展能力 强, 主要完成伺服电机驱动、 示教功能及其它外围 I/ O 量的处 理等任务。 F A -M 3 P LC 采用模块化设计, 可根据不同任务 需求采用不同的模块。 本机器人控制系统需要采用:电源模 块、 CP U 模块、 数字量模块、 位置控制模块和通信模块等。其中位置控制模块 F 3N C34 根据

14、来自 CP U 模块的命令, 生成位置定位用的轨迹, 以脉冲串的形式输出位置命令值。 按 照输出脉冲串的数量指定电机的旋转角度, 按照频率指定电机 的旋转速度, 同时接收编码器的反馈值 , 构成闭环控制。 码垛 机器人位置控制原理如图 4 所示。图 4 位置模块运行原理示意图位置控制模块中装有 32 点位的固定输入和输出继电器, 可将位置控制所需常用命令固化在其中, 方便位置控制的实现 。位置控制模块的特点如下 : (1)高速和高精度的定位控制使用交流伺服电动机时, 最大输出为 5M pps ; 对于机器人1 轴启动的情况, 可使用0.15ms 的短时位控;对于 4 轴直线插补和 2 轴圆弧插

15、补, 可使用 0.5ms 以下的短时位控, 这样就可使机器人开始高速运行, 实现与外围设备的同步。(2)丰富的位置功能 该模块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换控制、 定位控制向速度控制的切换控制。 作为插图3 码垛机器人硬件结构图图 5 控制系统软件构架示意图第 11 期张丰华 , 等 :基于 PLC 的新型工业码垛机器人控制系统设计 · 2193 · 入控制有直线插补、 圆弧插补、 螺旋插补等。 丰富的功能使机 器人能够轻易实现多种多样的定位控制。(3)脉冲计数器/ 通用输入输出接点 因为可以按照机器人的轴数安装输入值最大为 5M pps 的脉

16、冲计数器 (支持绝对值编码器), 使用该模块就可以读取电 动机的反馈脉冲, 从而实现当前位置的确认、 位置偏离的检测 等更加正确的定位控制。通用输入接点 (6 点/ 轴)、 通用输出接点 (3 点/ 轴)与电 动机/ 驱动器相连接, 可以作为控制用输入输出接点 (驱动器 报警、 定位完成、 伺服电动机 O N 、 驱动器复位等)来使用。(4)通过位置模块设定工具可以实现参数设定、 动作监 视、 动作测试根据位置控制模块的设定工具 “ T oo lBox 位置模块” 可以 进行寄存器参数、 动作模式以及位置数据的设定、 动作监视、 动作测试等, 从而使该模块的运行准备以及调试工作等变得更 加简便

17、。3 控制系统软件设计与实现码垛机器人控制系统的软件设计与实现十分重要, 在保障 机器人码垛功能的实现和作业效果的提升方面起着举足轻重的图 6 工业码垛机器人软件系统工作流程作用。 笔者和科研团队的成员们共同努力, 制定出如图 5 所示 的机器人控制系统软件构架。其中, 人机交互软件的编写采用触摸屏自带编写软件, 界面 通俗易懂, 适合工厂化环境使用, 且成本低廉。各模块功能如下:初始化模块:负责码垛机器人控制系统启动和程序初始化 , 监测控制系统各单元是否工作正常并及时反馈; 示教模块:完成机器人的位置示教, 生成示教指令文件;监控模块:监控机器人的工作, 显示机器人的工作状态; 文件处理模

18、块:管理各种文件, 包括文件的调用、 改名和删除、 复制等; 参数设置模块:进行机器人控制参数以及机器人结构参数等可调参数的设置、 控制系统 I/O 的设置和管理; 码垛机器人控制系统的软件采用横河 P LC 通用软件 wide-field 进行编写, 可采用梯形图和语句表形式, 模式运行时也可 采用自带软件 T oo lBo x 进行编写, 只需设定相关参数即可, 简 单易行, 工作量大大减少。 各模块功能如下:轨迹规划模块:完成机器人各种轨迹规划、 插补算法; 位置控制模块:主要包括单轴定位、 插补定位、 定位动作中的目标位置变更、 速度变更等; 速度控制模块:主要包括速度控制、 速度控制

19、中的速度变更、 速度控制和位置控制的相互切 换等;原点搜索模块:包括自动原点搜索、 手动原 点搜索等;手动控制模块:包括 JOG 控制、 手动脉冲 发生器等。码垛机器人软件系统工作流程如图 6 所示。4 结论本文以新型工业码垛机器人为研究对象, 以 横河 F A -M 3 PL C 为基础设计了机器人控制系 统, 并根据码垛机器人工作特点和实际需要设计 了两种常用工作模式。 经实际工程样机运行测 试, 可知以 PL C 为核心的工业码垛机器人控制 系统既可以完成对现场 I/ O 量的采集和控制, 也 可以通过位置控制模块驱动交流伺服电机, 完成 对码垛机器人四轴的运动控制。 工业码垛机器人 工

20、程样机性能测试表明, 本文所构建的码垛机器 人控制系统能够充分发挥 PL C 的技术特点, 在 满足码垛机器人多样化作业要求的前提下, 可显 著提高机器人的可靠性及性价比, 具有广阔的工 业应用前景。参考文献: 1 胡洪国, 高建华, 杨汝清.码垛技术综述 J .组 合机床与自动化加工技术, 2000 , (6):7 -19 . 2 刘 清, 韩宝玲, 罗庆生, 等.S7 -200 可编程控 制器在新型智能码垛机器人中的应用研究 J .制造业自动化, 2008 , (7):39 -43 . 3 闫爱和, 焦希润, 张素青.平衡吊的运动分析及平 衡方法 J .太原重型机械学院学报, 2000 ,

21、 (4):295 -300 .(下转第 2196 页)·2196 · 计算机测量与控制 第 17 卷产品, 它具有传输速度高、 低电磁辐射、 掉电不影响总线、 具 备只听模式等特点 4 。 CA N 总线信号与主控制器隔离外, 微 控制器所用的电源也与 CA N 收发器所用电源相互隔离, 本研 究采用 DC -DC 微功率电源模块 B0505L M 隔离两部分电源。 此外, CA N 总线接口还设计了保护电路。 使用了 P HILIPS 公 司的 P ESD1CA N 保护二极管, 对 ESD 脉冲、 电源瞬变、 浪涌 等现象有很好的抑制作用 5 , 相对于使用 T VS

22、二极管来说, PESD1CA N 在防浪涌和抑制瞬变方面有更好的表现。 值得注 意的是, CA N 网络终端的两个 120的电阻, 对于匹配总线阻 抗起着相当重要的作用, 忽略掉它们, 会使数据通讯的抗干扰性 、 可靠性大大降低, 甚至无法通讯。 外召采集器和内召采集器的设计, 微处理器使用的是 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 通讯接口采用 M icro chip 公司推出的 CA N 总线控制 器芯片 M CP2515 和 P HILIP S 公司收发芯片 T JA 1050 。图 5 为内外召采集器 CA N 接口电

23、路的设计。信息后, 判断是 CA N 数据帧还是远程帧。 数据帧进行运行状 态的实时显示;远程帧则扫描按键信息, 登记呼叫后发送至主 控器。 流程如图 7 所示。图 5 内外召采集器C AN 接口电路2.3 基于 CiA DSP417 协议的电梯群控 CAN 通讯电梯主控制器 CA N 通讯任务启动节点扫描任务后, 首先 发送第一个节点的远程帧来获取第一个 CA N 节点的召唤信 息;此后继续扫描其它节点直到最后节点为止;最后登记好所 有召唤节点信息后等待主程序逻辑计算并控制运行, 同时发送 电梯状态信息的 CA N 数据帧给各召唤节点。 整个任务扫描周 期为 100ms 。 其流程如图 6 所示。 召唤 CA N 信息的接收和发 送在中断程序里处理, 召唤板接收到电梯主控器发来的 CA N图 6 电梯主控制器C AN 通讯流程图 7 召唤 CA N 通讯流程3 结束语基于 CiA DS P417 协议的电梯群控系统是最新的电梯群控 系统构建模式, 这种构建模式将使电梯群控技术得到一个质的 飞跃。 同时, 该项技术的成功, 将填补国内与国外同类技术的 空白, 提高我国电梯控制技术的水平, 降低对国外电梯技术的 依赖。参考文献: 1 崔 刚, 许怡生, 耿兰凤.基于 C -NET 的电梯群控系统 J .电梯工业, 2006, (