基于Micro850的码垛机机械手运动控制

1 绪论

随着微电子技术的高速发展，可编程逻辑控制器(PLC)因具备环境适应性强、体积小巧、安装调试方便且易于扩展和维护等优势，逐渐从众多实现工业生产自动化的控制装置中脱颖而出。基于PLC的工控技术即成为了当下自动化学科的一个新兴研究领域。

码垛机，即为一种将输送机运输过来的生产材料依照工艺上的要求堆叠成垛，并将这些物料进行下一步传送的执行机构。因其操作步骤简便且易于掌控而在过程控制系统中得到了广泛应用，并从一定程度上促进了工业生产流程的智能化管理，在大幅度减少人力的同时亦削减了劳动强度。码垛机机械手则是一种根据码垛机的结构实现精准控制的被控对象，它能够模拟人类手臂的部分动作，以实现工业上的分拣、抓取、搬运、传送等功能。本文将以罗克韦尔公司的AB Micro850为控制器进行码垛机机械手运动控制的探究。

2 码垛机机械手的结构

码垛机的主体是由航空级铝合金板材加工，并加以电镀表面氧化后组装而成。同步带传动则由连杆机械结构、3台步进电机和相应的步进电机驱动器组成。STP-59D3012GA步进电机(额定电流2A，保持扭矩1.4N.m，4线双极驱动，步进角为1.8°)作为腰部运动电机，带有减速机的步进电机42BYGP48(额定电流2A，保持扭矩10N.m，4线双极驱动，步进角为1.8°)作为主动臂运动电机，STP-42D1075步进电机(额定电流0.8A，保持扭矩280N.m，4线双极驱动，步进角为1.8°)作为连杆运动电机。

图1 码垛机机械手结构图

基于同步带传动可将对单轴的运动控制扩展至三轴同步的运动控制，通过编程可使码垛机机械手的各个轴复现指定的运动路径，从而实现对步进电机的精准控制。

3 PLC控制程序的设计

Micro850控制器支持梯形图、结构化文本和功能块编程共3种程序设计方式。其中，梯形图表达式是基于电路控制系统的雏形演化而来，即保留了一般电路元件的图形符号和相应触点状态，从而大大提升了程序的可读性，算法架构亦更为形象、直观，是当前工业控制中应用较广泛的一种可视化编程语言。本文借助罗克韦尔公司开发的Connected Components Workbench(CCW)软件进行底层算法的设计，并将Micro850控制器的型号选为2080-LC50-48QBB，I-00、I-03；I-01、I-04；I-02、I-05为其发出的3组高速脉冲，分别对应运动轴Axis1(主动臂电机)，Axis2(腰部电机)，Axis3(连杆运动电机)。

3.1 参数的配置

配置包括常规、电机和载荷、限制、动态、原位等。常规配置即根据不同运动轴对应的高速脉冲进行相应通道的选择，本文将驱动器启用输出分别设定为IO_EM_DO_06，IO_EM_DO_07和IO_EM_DO_08；对于电机和载荷，本文以revs(转数)作为位置单位，因此电机的速度单位为revs/s，每转脉冲数即PLC发出的脉冲数，应保证和步进电机驱动器上的细分设定相一致，此处设置为3200(细分与力矩成正比，与速度成反比)；限制分为硬限位与软限位，分别是硬件外部限位开关和应用紧急停止配置的单位数，这里主要对软限位进行设定：Axis1，下限：-0.7revs，上限：0.01revs；Axis2，下限：-0.5revs，上限：0.5revs；Axis3，下限：-0.3revs，上限：0.3revs。动态中需要配置的是速度、加速度和重加速度。加速度是速度的变化率，重加速度则反映加速度的变化趋势，通常选择1：5：25的比例，停止参数及原位参数的设置同理。(主动臂电机的配置还需考虑1：5.18减速比的换算)

3.2 梯形图的搭建

CCW的功能块列表里仅有一组运动控制模块适用于Micro850控制器中的QBB型，如：MC_Power(上电模块)，MC_Halt(急停模块)，MC_Home(归位模块)，MC_MoveVelocity(控制伺服以速度值运动)，MC_MoveRelative(控制伺服以相对值运动)，MC_MoveAbsolute(命令受控制的运动到指定的绝对位置)，MC_Reset(故障恢复)，MC_Stop(暂停模块)。每个功能块需要所在梯级与功能分别使能后才可以正常工作，且得到一次使能后仅工作一次，故在规划运动路径时应注意各个运动轴可达的有效范围及相互间的位置关联。其中，MC_Power功能块需将控制正反方向运动的输入变量均设置为True以确保正确使能，在调节速度改变方向时MC_MoveVelocity需与MC_Halt配合使用，调用MC_MoveAbsolute进行相对运动前需借助MC_Home模块来标记零点(原位)。结合逻辑电路的设计思想，梯形图的架构如下所示(梯级层次依次向下递增)：

图2 程序设计框图

3.3 程序验证

梯形图创建完毕即可进行程序的生成和连接，在弹出的连接浏览器对话框中选择Micro850对应的IP地址，而后将所建工程下载至控制器项目中。在梯形图界面可见各梯级间连线呈红色，表示导通状态，即为程序运行模式。首先将三个运动轴的上电模块使能端置1，由其输出的三个状态变量使各自的相对运动模块所在梯级导通，再通过对所设置的三个外部按钮进行置位或复位操作以改变正转控制、反转控制、暂停控制所在梯级的使能状态，进而对各自的相对运动模块进行使能控制，以实现码垛机机械手三轴同步正转、反转以及暂停的功能。工程实践中，PLC往往会受一些不必要的干扰因素影响而出现紧急情况，通过操控最后一个梯级所设外部按钮的状态即可实现急停复位(电机转轴速率降为零)的功能，以确保运动控制过程中的可靠性和安全性。下图所示位置为其标记原点位置，红色箭头代表主动臂电机轴的负方向和连杆运动电机轴的正方向，蓝色箭头代表主动臂电机轴的正方向和连杆运动电机轴的负方向。

图3 机械手运动方向的标定

4 结语

本文以Micro850 PLC为核心实现了对码垛机机械手的多轴同步运动控制，试验结果表明PLC控制码垛机机械手具有性能可靠、定位精准、运行稳定以及便于调试等优点。在此基础上，若加以工业触摸屏进行实时通讯，将形成人机交互界面，进而对码垛机机械手的运动过程实现更为方便和高效地监控。若旨在使码垛机机械手完成其他适用于工控领域的规定动作，可从运动轴参数的配置入手，针对底层算法进行深一步调整和优化。