基于PLC的自动取封盖机械手控制技术

时间：2024-08-31

黄金凤，张彦松

（河北联合大学机械工程学院，河北唐山 063009）

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1.5m，用来装放射性废料或有毒化学品，盖与桶靠10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10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。

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10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PLC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PLC控制，PLC1装在操作柜内，PLC2装在电气柜内。PLC1采用三菱Q系列模块式PLC，配置5槽基板、电源模块、Q02H高性能CPU模块、32点数字输入模块、16点数字输出模块、通讯模块（RS232、485各1通道）和CC＿Link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RS232通道与上位机通讯，RS485通道与10台拧紧机通过Modbus协议通讯可大大减少设备之间连线。其中，PLC1通讯模块为主站，10台拧紧机各为1个从站。PLC2采用三菱Q系列模块式PLC，配置8槽基板、电源模块、Q02H高性能CPU模块、32点数字输入模块、CC＿Link模块、4轴定位模块、2轴定位模块各1块、16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SSCNET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PLC间通过CC＿Link通讯进行数据交换，其中，PLC1中的CC＿Link模块为主站，PLC2中的CC＿Link模块为本地站。

采用三菱自带增量式编码器伺服电机HC-SFS152，并配备三菱 MR-J2S-200B型三相220V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

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。

图2 控制系统硬件平台结构框图

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CPU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PVT插补控制2个伺服电机联动。CPU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，CPU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，CPU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 PLC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。

PLC CPU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Labview进行开发的人机界面，通过与PLC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－角度及扭矩－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。

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－角度曲线、过程记录查询、报警记录查询和过程参数设置等。