基于PLC的工业机器人示教系统开发

童玉林+马金玉+吴伟彪+鲍必辉

摘 要：提出了一种利用基于信捷XCM-32T-E运动型可编程控制器实现工业机器人运动的示教与再现功能的设计方法，通过控制工业机器人4个自由度的伺服电机，实现工业机器人的旋转、上升、下降、伸缩、夹紧、松开等功能，并根据位置记录、原点回归、示教再现等PLC程序完成示教，采用触摸屏作为输入调试设备。试验结果表明，该系统能满足锻造、搬运等生产需求，设计程序简洁、更新方便，界面友好。

关键词：PLC；工业机器人；触摸屏；机械系统

中图分类号：TP242 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.003

目前，示教再现机器人被广泛应用于汽车等机械制造行业。示教与再现分别是指操作者预先示范运动轨迹，同时机器人记忆示范过程中的程序、位置和相关信息，然后按照再现指令，逐条取出并解析，以控制机器人重复运动轨迹，并将运动精度控制在一定的范围内，如此完成所需动作。本文以面向锻造行业的工业机器人为控制对象，在示教过程中利用伺服电机运动位置传感器采集运动数据，通过控制器计算处理，建立新动作数据表，以控制示教动作。利用新建的动作数据作为输出，实现机器人运动，并把实时采样的传感器数据与运算所得到的传感器数据进行对比，以验证运动控制精度，从而实现工业机器人运动的再现。

1 工业机器人机械系统设计

机器人的结构设计：根据锻造加工所需实现的动作和运动范围，工业机器人由机身、机械臂、手爪和PLC控制部分等组成，由伺服电机驱动，PLC控制，设置有4个自由度，分别实现手臂的左右摆动、机身的左右旋转、手抓臂伸缩和抓取工件等动作，以准确地抓取工件，并送到指定的工位。

利用Pro/E wildfire 5.0完成工业机器人的三维结构造型设计和结构装配、干涉检测，并利用其仿真功能，发现强度方面的薄弱环节，然后加强改进，最终得到工业机器人机械结构模型，如图1（a）所示。

机器人的计算机CAE过程：利用Pro/E wildfire 4.0完成造型后，导入到UG NX中完成NC仿真加工，生成NC程序，并利用数控加工中心完成数控加工。装配制造所得的零件，得到机器人机械实物，如图1（b）所示。

（a）机器人结构三维模型 （b）机器人照片

图1 工业机器人机械系统

2 工业机器人电气控制系统设计

本文所设计的工业机器人电气控制系统组成如图2所示。控制核心采用信捷XCM-32T-E运动型可编程控制器，支持4路高

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速脉冲，1路AB相计数T型输出，并支持圆弧插补、两轴直线等指令，可实现追踪控制功能。这些功能能够让工业机器人顺利完成路径。该工业机器人有8个输出口Y0～Y7，每个伺服电机设置有2个限位开关传感器。手爪伺服电机有1个抓紧传感器，共7个传感器，构成7个输入口X0～X7。

工业机器人在自动运行和示教中由触摸屏上的按钮M来控制进行点动、停止、清零和示教，所以在I/O表中，只有启动和急停进入X，再经由Y输出，其地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

输出信号 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

PLC输出 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010

信号名称 小臂脉冲输出信号 中臂脉冲输出信号 底座脉冲输出信号 手抓脉冲输出信号 小臂脉冲输出方向 中臂脉

冲输出

方向信号 底座脉

冲输出

方向信号 手抓脉

冲输出

方向信号 手抓开合输出信号

控制柜由以PLC为中心的控制电路组成，由触摸屏代替按钮，对PLC中的程序进行控制，再由PLC发出信号传输给伺服驱动器，从而达到控制机器人运行的目的。分别从PLC的Y0、Y1、Y2、Y3和Y4、Y5、Y6、Y7接出，分别对应4个伺服放大器的脉冲输出端口和脉冲方向端口，使PLC可以控制工业机器人各个关节的旋转距离（伺服电机的脉冲个数）与工业机器人各个关节的转动位置（伺服电机的脉冲方向）。为了确保电路的安全，需设置短路保护、过载保护。采用由伺服驱动器控制的伺服电机来驱动工业机器人运行，由于控制的是抓取轻便的工件，所以采用三菱HF-KN43J-S100伺服电机，功率为0.2 kW。伺服电机接线如图2所示。如图2所示，220 V交流电接进来后先进入空气开关，再经过熔断器的二次保护后接入伺服电机中，为伺服电机供电。接入伺服放大器的220 V交流电要经过熔断器和交流接触器进入伺服系统，以确保贵重器件的安全。

图2 伺服电机接线图

*[基金项目]温州市科技计划项目（编号：G20140025）

3 控制流程的分析与程序设计

机器人示教前，将电源通电，通过触摸屏中的动作方向按键对工业机器人进行点动控制，当机器人移动到位后，开始记录脉冲数据和示教次数（区分脉冲的数据）。

电源通电后，通过触摸屏上的清零按钮清零数据（将K0输入进D8170、D8173、D8176、D8179中），并将当前位置设定为原点位置。设定结束后，无论机器人在哪个位置，当按下触摸屏上的原点按钮，机器人都将回到原点位置，并等待下一个启动信号。

示教再现的流程如图3所示。控制柜通电后，按下触摸屏上的启动按钮，机器人通过读取示教所记录的位置和绝对位置（DDRVA）指令来动作，然后通过中间继电器确定脉冲是否到位。确定脉冲到位后，PLC内部延时，机器人抓开始抓取工件。到一定时间后，机器人通过比较指令来判断当前的点是不是示教位置的最后一个点——如果是，机器人将回归原点并结束，等待下一个启动信号；如果不是，机器人将进入下一个循环，一直到示教点与最后一个点相等。

4 示教界面的设计

触摸屏是机器内部的一面镜子，它能及时、形象、准确地反映出机器运作的各种情况，并以图形、指示灯等形式显示。本工业机器人是通过触摸屏来调试的，在PLC的输入端口接入开关或传感器等输入设备，在示教界面中分为三个部分，分别为主画面、示教界面和数据监控界面。

4.1 主画面

主画面主要用来控制工业机器人的启动、停止和复位，并且进行页面跳转。图4（a）为触摸屏主画面，通过触摸屏的主页面，可以实现对工业机器人的主要操作。

4.2 示教画面

示教画面主要是对工业机器人的点动位置进行调试，如图4（b）所示。通过手抓左转（M1008）、手抓右转（M1007）、小臂上升（M1001）、小臂下降（M1002）、中臂上升（M1003）、中臂下降（M1004）、底座左转（M1005）、底座右转（M1006）这些按钮对工业机器人进行点动控制，将工业机器人移动至确定位置，然后按下示教，并记录这组确定位置。

画面中间有数据监控的数据显示框，分别是小臂数据监控（D10）、中臂数据监控（D12）、底座数据监控（D14）和手抓数据监控（D16）。这4个数据监视窗口直接监控D8170、D8173、D8176、D8179中的数据，以实时监控PLC输出的脉冲。

右边主要用来设定小臂、中臂、底座、手抓伺服电机的速度，

按项目要求确定机器人所需要的运行速度；同时，在示教画面中，也设计有清零（M2002）按钮和原点（M2000）按钮。当需要重新设定原点的时候，就要清零当前位置，也就是清零D8170、D8173、D8176、D8179中的内部数据，将当前的位置设定为原点。原点位置是为了可以将机器人快速送回到中间位置而设定的，同时也可以在运行程序结束后将机器人送回到安全位置。

4.3 数据监控画面

数据监控画面如图4（c）所示。数据监控画面由指示灯部分、数据监控部分、数据采集部分和手抓开合设定部分组成。在指示灯部分中，可随时监控程序运行情况，亮着的小灯代表当时所运行的程序，这样操作人员就可以了解到工业机器人的当前位置；数据采集部分可以使我们通过对比记录的数据与当前的数据，了解当前的工业机器人是否正常工作；手抓开合设定部分可以调试事先预定的位置，以此确定此时的机器人抓是否需要抓取工件。

（a）触摸屏主画面

（b）触摸屏示教画面

（c）数据监控画面

图4 示教界面的设计

5 结束语

采用工业机器人代替人工操作可以大大提高生产自动化程度和生产效率。本文通过利用PLC控制伺服电机控制关节式工业机器人来实现示教再现控制系统，系统响应时间在1～2 s，稳态误差小于5.0%，具有界面友好、可操作性强、柔性化程度高、成本可控性好等特点，可广泛应用于锻造、搬运等生产中，满足了操作复杂且环境恶劣的作业需求。

〔编辑：王霞〕