双轴机器臂控制系统的设计研究

杨轶婷 徐宇

[摘 要] 详述了S7-200 PLC控制器如何利用双轴机器臂物流生产线实现编程控制，结合触摸屏作为上位机监控及控制器与码垛机器人的通讯，实现对该物流生产线的设计。

[关 键 词] PLC控制；触摸屏；双轴机器臂

[中图分类号] TP241.2 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）30-0024-02

工业机器臂是一种类似人手功能的自动控制装置，其在生产、生活中的应用大大减轻了人的劳动强度，减少了危险发生，同时也提高了产品加工精度。本文研究对象为一双轴机器臂的物流系统，通过可编程逻辑控制系统及上位机触摸屏监控完成生产流程。

一、双轴机器臂物流生产线介绍

双轴机器臂物流生产线通过将托盘库内的托盘由机器臂在Y轴上实现左右移动和机器臂在Z轴实现上下移动，机器臂一端装有气爪，通过真空发生器控制气爪吸取货物将托盘由托盘库搬运至链条输送机，链条输送机将托盘运输至滚筒输送机并向机器人发出码垛信号，此时由机器人完成物料的码垛工作，码垛完成后机器人给出码垛完成信号，滚筒输送机再通过缓冲区将满料托盘送至出货口。该物流生产线工艺流程如图1所示。

二、双轴机器臂物流控制系统设计

（一）控制系统硬件设计

针对该物流生产线的工艺要求，设计选用西门子S7-200 226机型（6ES7 216-2AD23-0XB8）PLC控制器。外围设备名称、类型、与PLC控制点分配情况号如下表所示。

人机界面采用昆仑通态触摸屏以RS-485串口与S7-200进行通讯。

（二）控制系统软件设计

本系统PLC编程软件以Step7为编程环境，通过梯形图编写程序实现生产流程。其中控制伺服电机和步进电机完成机器臂在Y轴与Z轴上的定位运动，采用脉冲输出指令库MAP发出脉冲输出指令实现对两个方向上的机器臂的准确定位。触摸屏采用MCGS组态软件实现对生产过程的监控。

（三）触摸屏控制要求

在系统送电前先确定急停按钮未按下。检查没有干扰系统运行的误动信号。一切设备就绪，拨动旋转开关，为系统送电。此时触摸屏显示如图2所示。

此时按下触摸屏上初始复位按钮，系统会进入初始化复位，恢复至可运行的状态。复位过程中触摸屏上初始状态指示灯红色闪烁，当系统恢复初始状态后触摸屏上状态指示灯变为绿色常亮，表示恢复完成。此时将托盘库中放入足够量的托盘，并在触摸屏中输入单个托盘的厚度（mm）。按下触摸屏上启动按钮，触摸屏上运行指示灯绿色亮起并且指示灯绿常亮灯，系统将入运行模式。当系统出现料不足时指示灯黄灯以2Hz频率闪烁。当系统出现无料时黄灯以1Hz频率闪烁，并且待系统整个流程走完之后进入停止状态，需待补充足够托盘之后再次按触摸屏启动按钮，系统再次进入运行状态。系统进入停止状态时停止指示灯红灯常亮，并且触摸屏上显示停止模式红灯常亮。

当发生故障时，按下急停按钮此时触摸屏出现如图3所示，急停指示灯红色以1Hz频率闪烁，并且触摸屏上急停指示报警灯闪烁。急停按下时系统进入急停状态，此时应手动按触摸屏急停处理区相应故障的按钮，当某个按钮按下时此状态被激活（为绿色）。当故障处理完成后，请再次按下之前操作按钮使其复位。如，当在Z轴（上下）运动时故障，按下急停后请先操作Z轴电机上升按钮，再操作其他状态。当急停松开时系统退出运行状态，此时再次按下复位按钮，即故障恢复。

（四）控制系统与码垛机器人信号对接处理

托盘到达码垛输送线后需要机器人配合该物流生产线完成在托盘上放物料码垛的任务要求，这就需要PLC与机器人进行通讯，实现双方交互信号。机器人与PLC之间的通讯传输有“I/O”连接和通讯线连接两种方式向机器人发出信号，最常用的机器人与PLC之间使用“I/O”连接的方式：采用I/O通讯，数字量直接扩展输出，机器人主体和控制器之间使用自带通讯电缆直接接插连接。这里用Q1.1和I2.4口完成交互信号。

三、结束语

机器臂搬运已广泛应用于工业自动化领域，其是一个由机械、电气、PLC和触摸屏等元件构成的复杂的机电一体化工业装备。本文充分利用了PLC控制的灵活性及触摸屏在可视化方面的优势设计了双轴机器臂物流控制系统，并且实现了最便捷的方式与机器人對接。本文可在物流生产控制领域起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]郭剑晖.机械手控制系统设计[D].南昌大学，2012.

[2]刘燕，周航.组合机床生产线加工及上下料控制系统的设计[J].制造业自动化，2014（12）：15-17.

[3]齐继阳.基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统的设计[J].液压与气动，2013（4）：20-22.