基于PLC控制的多自由度串联机器人系统研究

韩天禹，苏晓峰，张 津，罗英丞，陆光亮

（西安建筑科技大学 机电工程学院，西安 710055）

工业机器人作为机电一体化的高新技术，在工业领域得到了广泛应用，对提高生产效率、保证生产质量、增加经济效益、改善生活方式起到了一定的作用[1]。现如今，基于PLC控制的工业机器人已被广泛应用到工业生产的各个领域，并成为衡量企业自动化水平的重要标志之一[2]。基于PLC控制的工业机器人具有编程容易、性能稳定、抗干扰能力强、可联网等优点，越来越多的被应用到工业现场自动控制中。

本系统包含硬件与软件两个部分。硬件部分，基于西门子S7-200和PEC-6600主控制器，采用伺服电机与步进电机作为串联机器人的运动驱动，其中，伺服电机用来控制2轴，步进电机用来控制1、3、4、5、6 轴。 软件部分，分别采用 Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config编程软件，进行串联机器人控制程序的开发与调试。

1 控制系统的网络结构

多自由度串联机器人系统的控制结构如图1所示。控制系统分为3层，上层为PC机编程调试及监控层，其主要功能是对控制PLC进行编程与调试，以控制机器人各轴的运动位置和状态。另外，在PC机上安装工业组态软件，可对系统进行实时监控。中间层为PLC控制层，是整个控制系统的核心，系统分2种类型的PLC，西门子S7-200 PLC和国产PEC6600，两者的控制对象有所不同，西门子S7-200 PLC作为主站，主要用于多自由机器人复位、示教、再现等的整体自动控制，PEC6600作为2个从站，分别用于机器人1～4轴和5～6轴运动的单轴手动控制。底层为PLC的控制对象，主要包括驱动机器人系统各轴运动的步进、伺服电机及其驱动器，另外还包括组成系统的开关按钮、指示灯、各轴限位开关等。

图1 控制系统网络结构Fig.1 Control system network structure

2 控制系统硬件设计

多自由度串联机器人控制系统的核心设备主要是主控制器PLC，驱动机器人本体轴运动的伺服、步进电机及其驱动器。

主控制器PLC：根据控制要求和经济性原则，系统选用2种类型的PLC作为主控制器，分别为西门子 S7-200（CPU224XP CN）和国产大工计控PLC PEC6600，西门子 S7-200（CPU224XP CN）包含14路数字量输入和10路数字量输出，其主要用于多自由度机器人系统复位、示教、再现的自动控制。国产大工计控PLC PEC6600是一款 4轴运动控制器，通过它输出的4路高速脉冲可实现多自由度机器人各轴运动速度与位置的精确控制。

伺服电机及其驱动器：根据机器人运动控制的特点，采用伺服和步进2种类型的电机作为多自由度串联机器人轴的运动驱动。设计过程中，考虑到机器人二轴运动过程中受到的力矩最大，故采用伺服电机，其它5轴均采用步进电机。二轴伺服电机及其驱动器的型号分别为松下MSMD5AZG1U和MADKT1505CA1，其搭配具有流畅的高速响应及追踪性能，且在运转过程中能耗较低[3]。机器人其它5轴选用上海四宏电机公司生产的小型混合式步进电机，根据电机型号的不同，分别搭配AKS202A与AKS230高性能细分驱动器，其具有体积小、性价比高、控制精准且无累计误差等优势[4]。

3 控制系统软件设计

3.1 控制系统功能

基于PLC控制的多自由度串联机器人所要实现的功能主要包括：①系统点动控制：可手动控制多自由度串联机器人各轴的运动；②系统复位：在系统启动与运行过程中能进行自动复位；③系统运动记录与再现：手动操作机器人，系统能够按步记录机器人的运动状态信息，并可自动再现运动过程；④系统顺序控制：根据不同功能要求，通过编程实现多自由度串联机器人的顺序控制。

3.2 I/O地址分配

根据多自由度串联机器人系统所要实现的功能要求，结合控制PLC的选型，在进行系统编程之前，对主、从站控制PLC进行I/O地址分配和定义，如表1所示。主站PLC的输入包括系统复位、示教、记录、再现等，输出则是系统各输入状态信号的反馈。从站输入主要是机器人单轴的手动控制和限位信号，输出则是控制轴运动的脉冲及其方向信号。

3.3 PLC之间的数据通信

编程过程中，首先需要建立主、从站的数据通信缓冲区，用于主从站之间的数据交换，如图2所示。其中，V4与V14分别为从站1-4轴与5-6轴的数据输出缓冲区，V600与V610分别为主站1-4轴与5-6轴的数据输入缓冲区；V300与V310分别为主站1-4轴与5-6轴的数据输出缓冲区，V0与V10分别为从站1-4轴与5-6轴的数据输入缓冲区。

表1 PLC控制I/O地址分配表Tab.1 PLC control I/O address assignment

图2 PLC主从站之间的数据通信示意Fig.2 Schematic diagram of data communication between PLC master and slave stations

3.4 程序流程设计

根据多自由度串联机器人系统功能要求，可知其控制系统程序分为1个主程序和复位、示教、再现3个子程序。主程序主要完成机器人系统上电初始化、单轴手动操作及系统复位、示教、再现3个子程序的调用。

多自由度串联机器人系统的主程序设计流程如图3所示。程序执行时，系统先进行上电初始化。初始化过程主要完成PLC主站与从站之间的联机通信和参数设置。然后判断系统是否伺服电机报警或是急停按钮被按下，若产生伺服报警或有急停故障，则转入伺服报警、急停故障的排查处理。若系统运行正常，则进入机器人是否复位完成的判断。若机器人未复位完成，为了保证运行安全，机器人需要先进行复位，待复位完成后方可进行单轴手动、示教、再现等模式操作。

图3 控制系统主站程序流程Fig.3 Flow chart of control system master station program

多自由度串联机器人系统的复位子程序流程如图4所示。按下复位按钮，机器人6轴同时开始自动复位，复位时6轴先向各自负方向运动，当触发各自负限位时，6轴再向各自正方向运行某一设定距离，并将此时各轴的位置作为机器人的原点位置，然后向主站给出复位完成信号。至此，机器人复位完成。

图4 控制系统复位子程序流程Fig.4 Flow chart of control system multiplexer program

多自由度串联机器人的示教子程序流程如图5所示。示教模式下先实时读取机器人6轴的位置信息及手抓电磁阀的状态，然后建立6轴位置数据存储区并将该存储区清零，当每次记录按钮被按下时，将实时记录的机器人6轴位置信息及手抓电磁阀状态存储到已建立的数据存储区，以备执行再现子程序实时读取。

图5 控制系统示教子程序流程Fig.5 Flow chart of control system demonstration subroutine

多自由度串联机器人再现子程序为示教子程序的逆程序，再现子序流程如图6所示，再现过程首先按组读取PLC特殊寄存器中的6轴位置数据、手抓电磁阀的开闭信息，然后传送给轴的运动控制模块，控制轴以设定的速度运动到目标位置，或是控制手抓电磁阀的张开或闭合。当机器人6轴按组再现完成时，从站PLC向主站PLC发出再现完成信号。

图6 控制系统再现子程序流程Fig.6 Flow chart of control system reproduces subroutine

3.5 控制系统的编程与调试

在控制系统程序流程设计的基础上，分别基于Step7-Micro/WIN SP9和PLC-Config编程软件，进行多自由度示教机器人系统S7-200主站和从站PEC6600的编程与调试。S7-200主站编程和调试主要是Step7-Micro/WIN SP9环境下主从站通信参数、输入输出数据缓冲区的设置，以及系统复位、示教、再现及信号反馈的控制逻辑编程与调试，主站的数据输入输出缓冲区设置程序如图7所示。PEC6600从站的编程和调试主要是PLC-Config编程环境下从站控制主程序和复位、示教、再现3个子程序的逻辑编程和调试。PLC-Config编程软件中提供了丰富的运动控制指令，编程时可直接调用，大大提高了编程效率，程序中1轴手动控制程序如图8所示。当主站和从站编程与调试成功后，再进行主站和从站的系统联调，直至联调成功。

图7 PLC主站输入缓冲区设置程序Fig.7 PLC main station input buffer setting procedures

图8 1轴手动控制程序Fig.8 1-axis manual control program

4 组态监控实现

为了实现多自由度示教机器人系统的可视化监控，利用工业组态软件组态王kingview6.55开发了多自由度示教机器人的上位机监控系统。组态王工业监控软件具有使用方便、运行稳定、开放性好、易于扩展、开发周期短的优点[5]。在组态王kingview6.55软件中，先开发监控系统的画面，然后将监控画面中的相关参数与Step7-Micro/WIN SP9中的变量进行连接，基于组态王软件开发的多 自由度示教机器人监控系统如图9所示。运行画面中集成了机器人复位、示教、记录、再现等自动控制和6轴手动控制，手抓电磁阀控制，6轴实时坐标显示、限位触发、故障急停等功能。

图9 多自由度串联机器人监控系统Fig.9 Multi-degree of freedom serial robot monitoring system

5 结语

工业机器人在工业生产领域中的作用日益突显。分别基于西门子S7-200 PLC与PEC6600为主控制器，步进、伺服系统为机器人轴运动驱动，搭建了多自由度示教机器人系统，进行了系统的软件程序设计与功能调试，开发了机器人系统的上位机监控。机器人在运行过程中认址精确、平稳可靠，能按照输入指令完成相应的控制任务。本系统的研究为多自由度机器人的控制提供了借鉴和技术支撑。