智能倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

       隨著工業(yè)4.0的到來(lái)，智能工廠和智能生產(chǎn)將成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度不斷提高、自動(dòng)化控制系統(tǒng)越來(lái)越分散，PI組織推出了新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線PROFINET，從而將分散的自動(dòng)化控制系統(tǒng)連接起來(lái)。
       機(jī)械手作為一種自動(dòng)化裝備，可以在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域替代人工完成繁重勞動(dòng)，是智能生產(chǎn)的重要組成部分。傳統(tǒng)的氣動(dòng)機(jī)械手在定位運(yùn)動(dòng)中難以控制移動(dòng)速度，定位精度和穩(wěn)定性均有待提高。本文將電動(dòng)伺服精準(zhǔn)定位和氣動(dòng)技術(shù)快速抓取的特點(diǎn)相結(jié)合，利用PLC、氣缸、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，搭建倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械手的控制系統(tǒng)。
       一、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)械手功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
       倉(cāng)儲(chǔ)單元的機(jī)械手功能分為2個(gè)部分：抓取成品并放置在倉(cāng)儲(chǔ)的指定庫(kù)存區(qū)域; 根據(jù)控制系統(tǒng)提供的需求信息（客戶(hù)訂單）將指定的成品盒從倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)抓出并放置在成品輸出區(qū)域。
       定位模塊采用伺服驅(qū)動(dòng)，抓取模塊由氣動(dòng)夾爪實(shí)現(xiàn)。伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、編碼器等組成一個(gè)X－Y二維伺服直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。機(jī)械手的前后左右移動(dòng)由伺服電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌上的傳送帶實(shí)現(xiàn)。氣動(dòng)夾爪由氣爪和吸盤(pán)構(gòu)成，兩者同時(shí)動(dòng)作保證了抓取的穩(wěn)定性和成功率。Z軸氣缸的升降以及氣爪和吸盤(pán)的動(dòng)作，均由氣動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
       二、控制系統(tǒng)
       1、系統(tǒng)硬件選型
       PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線支持星型、樹(shù)型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而PROFIBUS只支持總線型。為避免PROFIBUS總線后期擴(kuò)展不便的問(wèn)題，控制系統(tǒng)選用PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線。
       控制器選用菲尼克斯AXC 3050 型PLC，全面支持PROFINET 工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，傳輸速度高達(dá)100 Mbit /s。伺服單元選用費(fèi)斯托CMMP－AS－C5－3A－M3 型伺服驅(qū)動(dòng)器和EMMS－AS－70－S－LS－RS 型伺服電機(jī)。氣動(dòng)單元選用費(fèi)斯托MPA－FB－EMG型閥島，不僅便于電控閥布線，而且也大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試。
       控制系統(tǒng)中各單元通過(guò)菲尼克斯SMCS－8TX－PN型交換機(jī)，集成到PROFINET實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。PLC作為控制系統(tǒng)的中樞，可以與伺服驅(qū)動(dòng)器、閥島通信，從而控制伺服電機(jī)和電磁換向閥動(dòng)作。在控制系統(tǒng)中，PLC AXC3050 為主站，PN交換機(jī)、費(fèi)斯托X－Y 伺服驅(qū)動(dòng)器、FESTO閥島、分布式I/O 模塊等為從站。
       整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)主要有5大部分：① 閥島電磁換向閥的控制信號(hào)；② I/O模塊上光電傳感器信號(hào)和氣缸位置傳感器的反饋信號(hào)；③ 伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)；④ 觸摸屏人機(jī)交互信號(hào)；⑤ 系統(tǒng)的故障信號(hào)�？刂葡到y(tǒng)電氣拓?fù)鋱D如圖1 所示。
       
       圖1 控制系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D
       2、伺服單元
       機(jī)械手在X軸和Y軸方向上采用電動(dòng)伺服方式運(yùn)動(dòng)，PLC將坐標(biāo)信息發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
       （1）參數(shù)設(shè)置
       現(xiàn)場(chǎng)伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置采用費(fèi)斯托自帶的費(fèi)斯托配置工具（festo configuration tool，F(xiàn)CT）軟件，可對(duì)PROFINET接口進(jìn)行配置，并設(shè)置速度和加速度等參數(shù)。
       主站PLC與從站伺服驅(qū)動(dòng)器建立通信后，主從站以報(bào)文的形式交換8B的輸入輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)為控制字節(jié)，輸入數(shù)據(jù)是狀態(tài)字節(jié)，狀態(tài)字節(jié)是控制字節(jié)的反饋。在直接任務(wù)模式下，報(bào)文的前兩個(gè)字節(jié)是固定的，字節(jié)3～字節(jié)8由用戶(hù)定義。字節(jié)3中有3種控制模式可選，分別為位置控制、動(dòng)力控制（扭矩、電流）、速度控制（轉(zhuǎn)矩）。輸入輸出報(bào)文解析如表1所示。
       
       表1 輸入輸出報(bào)文解析
       （2）定位控制
       定位控制模式是驅(qū)動(dòng)器指定某一個(gè)伺服電機(jī)的移動(dòng)目標(biāo)位置，而當(dāng)前位置是通過(guò)伺服電機(jī)內(nèi)部傳感器評(píng)估得出的。
       在首次定位調(diào)試時(shí)，必須確定測(cè)量參考系統(tǒng)并進(jìn)行一次參考運(yùn)行。目標(biāo)位置是指與項(xiàng)目零點(diǎn)有關(guān)的一個(gè)固定（絕對(duì)）位置，為了能夠?qū)ふ业蕉ㄎ环秶鷥?nèi)的固定位置，必須在一個(gè)測(cè)量參考系統(tǒng)上對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參考運(yùn)行。
       以X軸為例，用索引脈沖的負(fù)限位開(kāi)關(guān)來(lái)尋找參考點(diǎn)。當(dāng)負(fù)限位開(kāi)關(guān)處于未觸發(fā)狀態(tài)時(shí)，以搜索速度沿負(fù)方向行駛至負(fù)限位開(kāi)關(guān)；緊接著以爬行速度沿正方向移動(dòng)，直至限位開(kāi)關(guān)變?yōu)槲醇せ�；然后繼續(xù)移向第一個(gè)索引脈沖，該位置即為參考點(diǎn)。采用相同的方法，可以得到Y(jié)軸的參考點(diǎn)。參考點(diǎn)是軸零點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，而在出廠設(shè)置中，默認(rèn)軸零點(diǎn)為項(xiàng)目零點(diǎn)。確定了X軸和Y軸的參考點(diǎn)以后，就可以得到項(xiàng)目的零點(diǎn)，記為P0。以伺服的參考點(diǎn)P0為坐標(biāo)原點(diǎn)，P1為成品到達(dá)位置，P6為輸出區(qū)域，P2、P3、P4、P5、P7為存儲(chǔ)點(diǎn)位置，將各點(diǎn)二維坐標(biāo)建立為一個(gè)數(shù)據(jù)組。詳細(xì)的目標(biāo)位置坐標(biāo)信息如表2所示。
       
       表2 目標(biāo)位置的坐標(biāo)信息表
       3、氣動(dòng)單元
       閥島可分解為2個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊上都有4個(gè)電磁換向閥。電磁換向閥有2種狀態(tài)，則本項(xiàng)目中閥島共有16個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)。PLC經(jīng)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線與閥島相互交換數(shù)據(jù)，氣動(dòng)回路間的轉(zhuǎn)化依靠PLC控制電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC 技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使得控制系統(tǒng)更為合理方便。
       三、軟件設(shè)計(jì)
       1、系統(tǒng)動(dòng)作流程
       系統(tǒng)動(dòng)作流程圖如圖2所示。
       
       圖2 系統(tǒng)動(dòng)作流程圖
       當(dāng)物料到達(dá)指定位置，光電傳感器便會(huì)向PLC發(fā)送信號(hào)，機(jī)械手開(kāi)始抓取動(dòng)作。Z軸氣缸下降到達(dá)抓取放位，真空吸盤(pán)動(dòng)作，氣動(dòng)手爪夾緊，Z軸氣缸上升。
       X軸、Y軸伺服聯(lián)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)運(yùn)行到目標(biāo)位置。Z軸氣缸下降到達(dá)存放位，真空吸盤(pán)松開(kāi)，氣爪打開(kāi)。
       2、PLC編程
       菲尼克斯PLC的編程軟件為PC WORK，支持結(jié)構(gòu)文本（sturcture text，ST）、梯形圖（ladder digram，LD）、指令表（instruction list，IL）、功能塊圖（functionblock diagram，F(xiàn)BD）等多種編程語(yǔ)言。本項(xiàng)目中編程主要采用ST和FBD。
       根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行功能分解，將每一個(gè)功能都編譯成FBD，供主程序調(diào)用。在本項(xiàng)目中新生成的FBD有伺服控制、爪手控制等。
       3、觸摸屏軟件設(shè)計(jì)
       為了實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)出料過(guò)程的可視化，系統(tǒng)采用了多功能觸摸面板TP5150，并用組態(tài)軟件Visu + 開(kāi)發(fā)了觸摸屏的監(jiān)控系統(tǒng)。在OPC的輔助下，Visu + 可與控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)交換。確定出料的訂單后，機(jī)械手會(huì)抓取該產(chǎn)品到達(dá)產(chǎn)品輸出區(qū)域。
       觸摸屏倉(cāng)儲(chǔ)單元物料輸出模式由存儲(chǔ)點(diǎn)位置、訂單號(hào)示意、物料訂單號(hào)、輸出物料使能組成。在該模式下，觸摸屏可以直觀地顯示各個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)的訂單信息，便于操作人員進(jìn)行篩選。
       4、軟件調(diào)試
       經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，X軸和Y軸在啟停的瞬間會(huì)出現(xiàn)輕微抖動(dòng)。其解決辦法是延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的加（減）速時(shí)間，使運(yùn)動(dòng)更加平緩。在機(jī)器斷電狀態(tài)下，貨物的倉(cāng)儲(chǔ)位置可能會(huì)被人為改變，此時(shí)上電后仍存儲(chǔ)到該位置則可能發(fā)生撞擊。因此，上電后需要機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到每個(gè)存儲(chǔ)位置判斷該位置的狀態(tài)，再進(jìn)行主程序控制。
       四、結(jié)束語(yǔ)
       經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試運(yùn)行，智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手智能抓取和在上位機(jī)控制產(chǎn)品出庫(kù)的功能，具有控制靈活、性能穩(wěn)定、人機(jī)界面友好的特點(diǎn)�？刂葡到y(tǒng)選用PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，可為后續(xù)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的完善與改造提供較大的空間。隨著工業(yè)4.0、智能制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于PLC與PROFINET 的智能倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。
       作者:1、盧堯  任曉明  上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院  2、吳勇志  李繼先  南京菲尼克斯電氣有限公司