基于罗克韦尔PAC的直角坐标机器人电气控制系统设计.pdf
基于罗克韦尔 PAC 的直角坐标机器人电气控制系统设计 钱圳泉;曹锦江;韩东【摘 要】直角坐标机器人作为一种成本低廉、系统结构简单的自动化机器人系统解决方案,在替代人工,提高生产效率,稳定产品质量等方面都具备显著的应用价值.文中介绍一种通过采用罗克韦尔 PAC(可编程自动化控制器)控制器,能很方便地实现对三轴直角坐标机器人的电气控制.方案选用都具备 EtherNet/IP 为总线接口的罗克韦尔 PAC 控制器、伺服驱动嚣、触摸屏等.方案硬件结构简单,软件功能开发方便,并编制了工件分拣示例程序,实践证明设计方案是切实可行的.【期刊名称】机械工程师【年(卷),期】2019(000)001【总页数】3 页(P125-127)【关键词】PAC 控制;直角坐标机器人;电气控制;以太网【作 者】钱圳泉;曹锦江;韩东【作者单位】南京工程学院自动化学院,南京 211167;南京工程学院自动化学院,南京 211167;南京工程学院自动化学院,南京 211167【正文语种】中 文【中图分类】TP242.3 0 引言 随着中国制造业的转型升级，智能制造提上议事日程，智能制造业中机器人得到广泛使用，其中直角坐标机器人是众多机器人类别中常见的一种。直角坐标机器人具有多自由度、控制和运动简单等特点，广泛应用于焊接、包装、码垛、拆垛、分类、检测、探伤、装配、喷涂等一系列工作1。直角坐标机器人控制系统常见的有工控机与运动控制卡、专用计算机、通用 PLC 与运动控制模块以及触摸屏、专用控制器与示教器等2-6，驱动部分电动机常见的有伺服电动机和步进电动机，大多数选用伺服电动机。控制器与驱动器的电气连接大部分是非总线连接。本文介绍一种通过采用可编程自动化控制器能很方便实现对三轴直角坐标机器人的电气控制，具体介绍如下。1 直角坐标机器人机械结构 直角坐标机器人机械结构实物如图 1 所示，从图 1 可以看出，直角坐标机器人由3 个单滑台模组组成直角坐标 X 轴、Y 轴、Z 轴，三个伺服电动机分别通过联轴节直接连接在丝杆端，平行于 X 轴模组的滑台仅作辅助支撑作用；Y 轴安装在 X 轴模组和辅助支撑台上；Z 轴安装在 Y 轴滑台模组上。垂直 Z 轴理应选用带抱闸的伺服电动机，鉴于价格考虑，在机械设计上设计了抱闸汽缸，当伺服电动机失去励磁，抱闸汽缸推出，锁住伺服电动机联轴节旋转，起到抱住 Z 轴滑台移动。图 1 直角坐标机器人机械结构 在 Z 轴滑台上安装了抓取工件的真空吸盘。当直角坐标机器人到达吸合位置，控制器控制电磁阀得电吸合，当真空发生器吸力达到要求时，传感器输出信号到PAC 控制器，由 PAC 控制直角坐标机器人根据路径规划运行。2 直角坐标机器人电气控制方案 2.1 控制方案硬件连接简单 鉴于罗克韦尔公司有多元化的产品，其中有可编程自动化控制器（Programmable automation controller，PAC），还有部分伺服驱动器、触摸屏等都具备 Ethernet/IP 接口，因此，本课题控制器采用的 CompactLogix 的5370 系列的 1769L36ERM 规格 7,外加一个 1734-AENT 的 8 点输入/8 点输出I/O 扩展模块，Kinetix 系列 5500 规格的 3 套伺服放大器和伺服电动机8以及PowerPlus 800 触摸屏。PAC 控制器、伺服驱动器以及触摸屏都通过Ethernet/IP 接口用普通的以太网电缆通过交换机构成整体控制网络，硬件连接简单，直角坐标机器人电气控制系统组成如图 2 所示,CompactLogix 平台将 Logix平台的通用编程环境、通用网络、通用控制引擎等诸多优势与高性能集聚在一个小空间内。由于结合了 Compact I/O 模块，CompactLogix 平台非常适合简单运动控制的中小型设备级控制应用，功能强大、规模灵活且可升级。图 2 电气控制系统组成 1769L36E RM 规格 PAC 控制器工作电压 DC24 V，有 1 个 USB 接口，有 2 个Ethernet/IP 接口，用户内存 3MB，可安装扩展内存最大 2 GB，运行速度快，完全满足常规开发程序需要。图 3 Studio5000 开发软件开发画面 Kinetix5500 的伺服放大器具有 2 个 Ethernet/IP 以太网接口，伺服电动机为绝对位置编码器型，减少了每次使用需回原点的操作。PowerPlus 800 触摸屏选用 7真彩色显示屏，具有 1 个 RS232C 接口、1 个 USB接口和 1 个 Ethernet/IP，其中 Ethernet/IP 网络接口为构建网络提供了方便。PowerPlus 800 系列具有丰富的色彩画面，可灵活设计按键控制和数据采集，进行状态显示，利用触摸屏可以实现对直角坐标机器人的控制和状态监控。2.2 PAC 主控器功能丰富，开发方便 控制器具有丰富的逻辑、运算、过程、运动控制、通讯等指令功能，能够扩展 I/O及远程 I/O，具有 EtherNet/IP 以太网通讯和控制功能，更具有多轴伺服控制功能，自带两维或三维插补等运动控制指令9-10。CompactLogix5370 系列的 Studio5000 开发软件开发画面如图 3 所示，开发软件提供了丰富的编程地址标签功能，标签对整个网络部件编程都是透明的；开发软件平台提供了主程序和子程序开发模块，还提供了 Ethernet 网络组态功能，为智能制造网络构建提供了平台。2.3 网络构建和数据采集方便 在智能制造中，数据采集需求日益增强，构建网络和大数据应用是智能制造不可或缺的基本需求，因此基于罗克韦尔 PAC 的直角坐标机器人具备 Ethernet/IP 接口为网络的构建、硬件组态扩展提供了方便，控制器 PAC 本身具备 2 个以太网接口，为网络拓扑型连接提供了基础。罗克韦尔 PAC 和伺服驱动以及触摸屏都具备 Ethernet/IP 接口和具备相同的通讯协议，上位电脑标准配置了以太网接口，网络构建方便。由于具有相同的通讯协议，PAC 控制器控制伺服驱动器和采集伺服电动机运行状态以及监控整个系统运行信息，变得相当方便，在整个网络中，各部件之间的数据传输都是相当透明,例如：伺服电动机实际位置，在开发软件组态完伺服驱动器网络后，在控制器的标签栏中就自动建立了。图 4 工件分拣和堆垛机械平台示意图 3 直角坐标机器人应用开发示例 3.1 项目工艺 为验证直角机器人设计开发的效果，设计了如图 4 所示的工件分拣和堆垛机械平台示意图。1）分拣工艺。初始 9 个工件手动放在工位 A 相应位置，由直角机器人根据编程程序从工位 A 的工件 1 搬运至工位 1 的 1 位置，从工位 A 的工位 2 位置搬运工件到工位 1 的 2 位置；从工位 A 的工位 3 搬运至工位 2 的 1 位置，从工位 A 的工位 4搬运至工位 2 的 2 位置；从工位 A 的工位 5 搬运至工位 3 的 1 位置，从工位 A 的工位 6 搬运至工位 3 的 2 位置；剩余的 3 个工件分别搬运至工位 4、5、6，每个工位 1 个工件。图 5 触摸屏开发的部分画面 2）堆垛工艺。把 16 工位上的工件有序堆放到工位 B，比如：工位 1 上工件 1搬运到工位 B 的位置 1，工位 2 上工件 2 搬运到工位 B 的位置 2；工位 2 上工件1 搬运到工位 B 的位置 3，工位 2 上工件 2 搬运到工位 B 的位置 4；工位 3 上工件 1 搬运到工位 B 的位置 5，工位 3 上工件 2 搬运到工位 B 的位置 6；再分别把工位 46 工位的工件搬运到工位 B 的 79 位置。3.2 触摸屏画面开发 使用罗克韦尔提供的 CCW（Connected Component Workbench）触摸屏开发软件进行人机界面的开发，主要画面有：启动画面、示教画面、手动操作画面、自动运行监控画面、输入输出监控画面、报警信息画面、工件搬运情况监控画面等。在触摸屏软件开发当中，需建立好触摸屏标签与 PAC 共同使用。最终完成的触摸屏部分画面如图 5 所示。3.3 PAC 程序编制 利用 Rockwell Automation RSLogix 5000 开发软件编制程序实现直角坐标机器人运动功能。由于软件提供了很多的伺服运动控制指令，很方便编制 PAC 控制程序。编制的子程序有：坐标轴点动、手动回零功能、示教程序、自动回零功能、超程保护功能、参数设置功能、根据规划路径运行（分拣和堆垛）、运行状态监控功能、故障诊断功能等组成。由于分拣和堆垛的工件位置和工艺路径是提前规划的。在自动方式下，选择分拣或堆垛工艺后，再按触摸屏上自动运行按键，直角机器人就按照选择的工艺自动运行。以分拣工艺为例：机器人先由初始位置运行到等待分拣物体的上方（工位 A），然后 Z 轴向下移动使吸盘接触到物体表面，此时真空电磁阀作用，吸盘吸住物体后延时几秒后往上移动 Z 轴，再抬起，运动到目标位置上方（工位 16），再下降到一定高度，电磁阀关闭，物体落下。Z 轴往上移动，吸盘抬起到移动位置，再搬运下一个工件，然后循环运动，直到分拣任务完成。由于电动机采用的是绝对编码器，当意外断电再通电后，仍然可以选择继续运行后续路径或返回零位再重新运行。4 结语 通过选用罗克韦尔品牌的 PAC 控制器、交流伺服驱动器以及触摸屏，可以很方便地搭建硬件平台和软件开发实现对直角坐标机器人的电气控制。平台硬件连接简单，软件开发方便，为直角机器人电气控制方案提供了一种参考选项。由于硬件连接基于 Ethernet/IP 通讯协议，直角机器人硬件平台很容易融入到工业以太网网络中，为车间级和企业级数据采集奠定了物理基础，为智能制造系统集成提供了硬件可能。参 考 文 献 【相关文献】1于锋钊,赵明扬,辛立明,等.基于 ANSYW 的龙门式直角坐标机器人横梁分析J.机械设计与制造,2008,3(5):182-183.2金嘉琦,徐振伟,刘畅.直角坐标搬运机器人控制系统研究J.重型机械,2016(6):49-51.3余坤,罗晟,孔德帮,等.西门子 SIMOTIOND 在直角坐标机器人中的应用J.有色金属设计,2017,44(1):72-80.4王炎欢,陈阿三,刘鑫茂.直角坐标机器人控制系统的研制J.轻工机械,2010,28(4):67-69.5卢涛,于海生,吴贺荣.基于 VC 的直角坐标机器人控制系统设计J.青岛大学学报(工程技术版),2014,29(1):7-11.6罗克韦尔.1769CompactLogix 控制器用户手册Z.北京:罗克韦尔自动化公司,2013.7罗克韦尔.Kinetix5500 伺服驱动器用户手册Z.北京:罗克韦尔自动化公司,2013.8薛迎成.罗克韦尔 PLC 技术基础及应用M.北京:中国电力出版社,2009.9王德吉.罗克韦尔 PLC 控制技术M.北京:机械工业出版社,2015.
