基于三菱PLC的装卸车机械手控制技术应用.pdf

基于三菱P L C 的装卸车机械手控制技术应用 The appca t i on of con t r ol t ec hni que f or a t r an spor t ， m ani pul at or base d on m i t subi shi PLC 李晨辉，李占贤 L l Ch e n - h u i ．L I Zh a n - x i an 河北联合大学 机械工程学院，唐山 0 6 3 0 0 0 摘要文章 以某陶瓷厂卫浴生产线中青坯装卸车机械手为研究对象 ，搭建了以三菱高性 能q o 2 H P L c、定位模块Q D 7 5 M4 、通讯模块qd 7 1 02 4 N 及E v l e w触摸屏为核心的控制系统硬件构架。 在机械手运动路径规划基础上，优化了示教数据，利用三菱P L O 编程软件G x D e v e l o p e r 、伺 服控制软件G x C o n f i g u r a t o r qP 及触摸屏软件E V5 0 0 0 一 V 1 ． 5 联合开发了机械手软件控制系 统，并根据机械手实际运行状态，合理设置伺服增益参数，实践证明该机械手示教方便、运 行稳定、减轻了劳动强度并提高了生产效率。 关键词装卸车机械手；P L C； Q D 7 5 M 4 ；路径规划 ； 示教数据；伺服增益参数 中图分类号T P 2 4 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 5 0 4 上 一0 0 1 4 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 4 七 ． 0 5 0 引言 卫生陶瓷生产线中，刚注浆成型的卫浴产品俗称青 坯 ，青坯在烧结之前，含有大量水分，需要将其转移至 烘干室进行烘干，才能进行打磨、施釉及烧结等工序。 而在转移过程 中，需要将注浆下线 的青坯搬运到运输车 上，由运输车输送到烘干室，但青坯非常脆弱，易碎，在 人工搬运过程中极易破损，从而增大了废品率 ，造成大量 资源的浪费，而且人工搬运劳动强度大 ，生产效率低 。 随着装备制造业的发展，机器人 以其运行平稳 、生 产效率高及减轻人工劳动强度等优点 ，越来越多的应用 于各种生产行业领域，完成产品的搬运、加工、装配及 喷涂等任务 0 j 。 本研究以取代人工搬运青坯为 目的，开发了一台直 角坐标型机器人及其控制系统，该机器人具有四个 自由 度，包括 沿X轴 、Y轴、z 轴三个方 向的移动，及绕Z 轴方向的转动 ，其结构如图1 所示。 图1 装 卸车机械 手三维 实体模型 以青坯装卸车机械手为研究对象 ，应用三菱P L C及 其伺服单元搭建了机械手的硬件系统及软件控制系统。 并设计了以E ． v i e w触摸屏为平台的人机界面，使操作者 能够方便的进行示教、调试及监视等操作。 1 机械手硬件系统搭建 基 于上 述直 角坐 标 型机 器人 及其 工 作特 点 ，采 用三菱Q系列控制器及其伺服 单元 ，主控制器 选用高 性, P L C Q0 2 H，运 动控制器选用 四轴运动 控制模块 Q D 7 5 M4 ，伺服 电机及驱动器采用HC ． S F S 系列伺服 电 机和MR J 2 ． S u p e r 系列伺服驱动器 ，I ／ O 模块选用Q X1 0 及QY1 0，通 讯模块选 用QJ 7 l C2 4 N。人机 界面采用 E ． v i e w E业触摸屏MT 4 5 2 2 3 。 三菱Q 系列P L C 为模块化结构形式，不同的模块具有 不 同的功能，用户只需根据控制功能的需要选用相应的 模块，然后按顺序将其挂接在母板上即可，Q 系列眦具 有硬件系统搭建方便、安装方便及维护方便等优点。 E ． v i e w工业触摸屏 为全彩色 图形化 工业触摸 屏， 具有控制界面组态方便 ，且可与多种品牌的P L C完美搭 接 ，P L C控制通讯设置简洁等优点。 在设 计 中 ， 以通 讯 模块 QJ 7 1 C2 4 N为 纽带 ，通 过RS 2 3 2 通 讯接 口实现P LC主控 制器Q0 2 H与触摸屏 MT 4 5 2 2 T 的通讯，完成示教数据 的输入及相关监视画面 的输 出。同时，通过RS 4 8 5 通讯接 口实现上位机与主控 制器Q 0 2 H的通讯，完成上层程序的上载与下载 。 以 “ P L C C P U 运动控制单元 通讯模块 触摸屏人 机接 口”为核心搭建机械手定增益运动控制及整机控制 收稿日期2 0 1 4 -I 1 -1 3 作者简介李晨辉 1 9 8 2一，男，河北保定人，助教，工学硕士，研究方向为机器人控制技术。 [ 1 4 1 第 3 7 卷第 4 期2 0 1 5 - 0 4 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 系统，硬件系统控制策略如图2 所示。 州 t s u bi s hi Mi t s u b i i 图2 硬件控制 系统 图 2 机械手软件控制系统开发 本机械手只是实现将青坯从一个位置移动到另一个 位置，不涉及速度及力矩 的变化，因此，对执行部件一 伺服电机的控制模式采用位置控制模式，对其位置进行 控制 ，首先进行运动路径分析 ，然后再根据规划好的路 径编辑软件控制程序 。 2 ． 1 运动路径规划分析 机械 手的运动路径规划是软件 开发的基础 ，合理 规划机械手运动路径要考虑三个方面，一是要使机械手 在不与周边环境发生干涉的情况下 以行程最短的方式运 行；二是要易于控制程序的设计实现；三是要便于机器 人的示教调试工作 。 机械手在其三维工作空问当中，要向两辆运输车搬 运青坯，每辆运输车共有2 4 个放坯位置，车体为三层结 构形式，分为两侧，每侧放置3 层4 列产 品。机械手每次 从固定的取坯位置提取一个青坯 ，按照预定的路径及顺 序将青坯送至运输车上的每一个位置。 为了便于实现控制，同时保证机械手不与周边环境发 生干涉，将每条运动路径规划为1 2 个步骤，如表1 所示 。 表1 1 2 个运动步骤 上述 1 2 个步骤构成 了一个从取坯到送坯 、再返回取 坯位置的一个循环路径，那么放满每辆车的2 4 个位置， 则机械手需要往复完成2 4 条循环路径 。 机械手的运动路径是由坐标值决定的，这些坐标值通 常作为示教数据供操作者对机器人进行示教操作，所谓示 教就是由操作者在机器人工作之前先将工作路径及相关数 据 如位置坐标、空载速度、重载速度等数据教给机 器人，然后机器人按照这些示教数据进行作业。而示教数 据的优劣决定了示教工作的难易程度，机器人完成相同的 工作任务，示教数据越少，操作越简单、方便，占用的非 生产时间越少，机器人的利用率就越高。 为了便于实现控制、减少数据寄存器设置个数及优 化示教数据结构，将放坯位置进行了坐标归类，其工作 空间中的三维坐标分类如下 i 在z 轴方 向上分为一层 Z1 、二层 z 2 、三层 Z 3 。 2 在x 轴方向上分为左侧 x1 、右侧 x 2 。 3 在 Y轴 方 向上分为 1 Y1 位 、2 Y2 位 、 3 拌 Y3 位、甜 Y4 位 。 4 在绕z 轴旋转方 向上分为左边角度 z 1 、右 边角度 Z 2 。 另外 ，还有两个增量坐标，一个是沿x 轴 向运输车 送入坯体的距离 △x ，另一个是沿z 方向放下坯体的高 度 △z 。 分类后的坐标 即简洁又全面 ，将这些坐标值作为机 器人的示教数据供操作者进行示教，从而简化了繁琐的 示教调整过程 ，实践证明该方法示教操作简单、方便、 生产效率高。 2 ． 2 机械手软件设计 机 械 手 的控 制 软件 采用 三 菱P L C开发 软件 GX d e v e l o p e r 及其伺服控制软件G X． C o n fi g u r a t o r QP ，同时 配合触摸屏软件E V 5 0 0 0 _ V1 ．5 进行联合开发，三个软件 分别负责不同的开发任务 ，三者之间相互通讯、相互协 调及数据共享。GX． d e v e l o p e r 负责整体程序结构开发， 是整个控制系统的核心，对控制任务起决策性作用，实 现控制的算术与逻辑运算功能，对所有数据进行处理、 存储与传输 。G X C o n fi g u r a t o r ． Q P 主要完成定位数据的 处理 与控 制，配合P LC实现伺服运动控 制，EV5 0 0 0 一 V1 ． 5 主要是编辑人机界面 ，对功能界面进行组态设计 ， 实现示教数据 的输入 ，并将示教数据传 输给P L C，由 P L C 将示教数据统一分配。 P L C中数据 的运算 、传输与转移 是由数 据寄存器 为载体实现的，因此，在设计P L C 程序时，需要给触摸 屏输入 的示教数据 分配 相应 的存储空问 即数据 寄存 器 ，如表2 所示。 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 0 4 上 [ 1 5 1 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