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基於 Device Net 總線的機械手臂控製係統設（shè）計

2017-5-19 來源：西安航空學院電子工（gōng）程（chéng）學院作（zuò）者：喬社娟，高振江

摘要: 機械（xiè）手臂是工業生產線實現自動化的重要裝（zhuāng）置，針對機械手臂多動作運動的要求，提出了一種以 Device Net總線為通信（xìn）方式、觸摸屏為人機接口、PLC 為控製單元（yuán）、伺服電機控製機械手（shǒu）臂的控製（zhì）方案，介紹了係統的總體設計，描述了硬（yìng）件組態配置與軟件設（shè）計。此控製係統已在實際工業生產（chǎn）線中取得驗證，提高了生產線的自動化程度和可視度。

關鍵（jiàn）詞: Device Net 總線; 伺服控製; 機械手（shǒu）臂

0.引言

隨（suí）著（zhe）自動化技術的快速發展，機械手臂以其操作靈活、易於控製、穩定（dìng）等（děng）特（tè）點（diǎn）被廣泛應用（yòng）於（yú）工業生產線（xiàn）中［1－2］，尤其在一些重金屬、多粉塵、高溫、高強度等特殊（shū）環境中，迫切需（xū）要機械手臂進行取件、分揀（jiǎn）等操作［3－4］。目前，工業生產線中主要通過 PLC 控製機械手（shǒu）臂，集（jí）中控製管理和可視（shì）化程度不高。Device Net 總（zǒng）線是在 CAN 總（zǒng）線基礎上（shàng）推出的一種開放、低價、實時、可靠、標準的工業控製（zhì）底層的現場總（zǒng）線通信技術（shù），主要用於構建底層控製網絡［5］。Device Net 總（zǒng）線（xiàn）技術能將可編程控製器、機器人、變頻器等各類工控設備連（lián）接在網（wǎng）絡中，最多支持 64 個（gè）點，通信（xìn）速率隻用了125kbps、250kbps、500kbps 三種，端與端的網絡距離最大可達 500m［6－7］。因此，Device Net 可將不（bú）同（tóng）設備或（huò）者分散（sàn）的設備集中控製（zhì）管理，避（bì）免昂貴和繁瑣的硬件（jiàn）接線。本文設（shè）計了基於 Device Net 總線的機械手臂控製係統，利用 PLC 控製伺（sì）服（fú）電機精確（què）控製機械手臂動作（zuò），通過觸摸屏實時監控生產線運行狀態和報警情況，提高了生產線的自動化程度，增強了係統的安全性和可視度。

1.係統（tǒng）控製要求

本係統主（zhǔ）要（yào）針（zhēn）對工藝要（yào）求繁多、難易程度一般的工（gōng）業自動化生產線，需要滿足以下（xià）要求:( 1) 整個係統（tǒng）穩定可靠、經濟實用;( 2) 兩組（zǔ）機械臂同時在不同位置進行不同操作，機械手臂（bì）位置參數可通過上位機手（shǒu）動設置，機械手臂能夠實（shí）現多種動作，如: 左移、右（yòu）移、上移、下移、內移、外移、抓取（qǔ）、鬆（sōng）開（kāi）等 3) 整個係統的每個動作（zuò）能夠實現自動（dòng）連續周期、自動單周期、手動單步控製;( 4) 係統中所有控製目標（biāo）的設備狀（zhuàng）態、控製命令、機械手臂動（dòng）作與位置（zhì）、異常情況及報警等信息都可（kě）通過（guò）網絡顯示在上位機，同時報警信息（xī）需要在不（bú）同機械部位以聲光形式顯示。

2.係統設計方案

2. 1 係統結構

基於 Device Net 總線的機械手（shǒu）臂控製係統采取（qǔ）主從站控製方式，包含上位機、主控製器、從（cóng）控製器、電磁閥與開關、傳感（gǎn）器等（děng） I/O 接口等，係統結構如圖 1 所示。

圖 1 係統結構圖根據係統穩（wěn）定性

經濟實（shí）用性要（yào）求（qiú），本係（xì）統上位機選用觸摸屏，主站直接選用的 Device Net 模（mó）塊，從站采（cǎi）用經濟型（xíng）普通 PLC 可編程控製器，主從站通過工業總線（xiàn）轉換模（mó）塊進行通信（xìn）。

2. 2 係統主從站設計

經過綜合考察對比，本係統的主從（cóng）站主要采用 Delta產品構成，選用進階薄型主機 DVP－12SA2 模塊作為主控製器，左側高（gāo）速擴展總線 DEVICENET 專用模塊（kuài）作為通信（xìn）模塊，上位機選用 DOP－B10S411 觸（chù）摸屏。考慮到經濟（jì）實用性和可靠性，本係統選用（yòng）兩個最（zuì）具經濟效益的 DVP－32ES2 作為從控製器控分別單獨控（kòng）製兩組機（jī）械臂，選用一個 DVP16XM211N 作（zuò）為數字輸（shū）入擴展模塊，所有模塊（kuài）通過DVP－PS01 導（dǎo）軌式工業電（diàn）源供電。由於 DVP－32ES2 不具備 Device Net 通信功（gōng）能［8］，主從站（zhàn）之（zhī）間采用兩個 IFD9502 工業總線（xiàn）轉換模塊。IFD9502複合標準（zhǔn） Device Net 通（tōng）信格式（shì），可連接變頻器、可編程控製器、溫控器（qì）、伺服驅動器等所（suǒ）有（yǒu） Delta 工業自（zì）動化產品，具有（yǒu）ＲS232 和ＲS485 兩種通信方式，通信速率與 Device Net總線匹配，通（tōng）過旋轉開關和撥碼開關分別設置已連接下位設備的通信地址和設（shè）備類（lèi）型，一個 Device Net 通（tōng）信網內所有下位設備具有唯一的通信地址，如圖（tú） 1 中的 Node 01、Node 02、Node 03。

觸（chù）摸屏和 PLC 之間通過 Device Net 進行通信。使用Device Net Builder 組態軟件和（hé） DOPSoft 組態軟件（jiàn）對機械手臂控製係統進行軟件（jiàn）組態，使用 Delta WPLSoft 對機械臂（bì）動作和異常信息報警進行軟件程序設計。

本係統第一組機械臂 I/O 分配表（biǎo）如表 1 所示，第二組機械臂與第一組機械臂 I/O 分配表相類似（sì）。

表 1 第一組機械臂對應 I/O 分配表

2. 3 係統軟件設計

本係統軟件包（bāo）含 Device Net 組態配置軟件、觸摸屏組（zǔ）態軟件和 PLC 控製軟件三部分。

(1) Device Net 網絡配置: 通過 Device Net Builder 網絡工具對（duì）掃描在線的（de）所有模塊進行（háng）“通信地址（zhǐ）”、“通信速率”、“通信格式（shì）”等信息進行配置，最終將（jiāng）所有模塊組在一個網內（nèi）;

(2) 觸摸屏組態（tài）軟件: 觸摸屏是人機連接的主要接（jiē）口，負責完成機械臂參數設置的同時，主要顯示 I/O 接口的（de）運行（háng）情況與報警時產生的異常信息，異常情況通過走馬燈形式顯（xiǎn）示，操作者可根據機械（xiè）中（zhōng）的聲光指示燈判斷出（chū）故障的大概位置，異常詳細情況即可通過觸摸屏顯示獲取，避免了普通 PLC 控製係統出現異常（cháng）需要逐級排（pái）線查找的繁瑣;

(3) PLC 控製軟件: PLC 控製程序采用具有嚴（yán）謹邏（luó）輯關係的順序控製設計法，實（shí）現的功能包含: 機械手臂左右、上下、內外、抓取、鬆（sōng）開等，工作方式切換，以及異常報警解（jiě）析，異（yì）常情（qíng）況隻有在 PLC 控製軟件中（zhōng）正確解析後傳遞給觸（chù）摸屏進行顯示，從站 PLC 控製流程如圖 2 所示，異常解析作為一個獨立分（fèn）支，從程序開始同步與機（jī）械臂動作進行，當發（fā）生異常時（shí）首先停止機械臂動作防止發生機械（xiè）損（sǔn）壞，異常（cháng）清除後機械手臂繼續完成當前（qián）動作，無（wú）需重（chóng）新上電。

圖 2 從（cóng）站 PLC 控製流程圖

3.結束語

機械手臂作為生產線重（chóng）要的自動化機（jī）械裝置，在工業、醫療、軍事等各行業被廣泛應用［9］。本文結合 Devi-ce Net 總線技術、觸摸（mō）屏組態技術和 PLC 控製（zhì）技術實現了兩組機械手臂單獨的多方位自由運動，異常情（qíng）況及時報（bào）警並顯示（shì）詳細原因。本係統已在某自動化生產（chǎn）線投入使用，經過（guò）驗證達到了係統穩（wěn）定可靠、安全、經濟實用的要求，提（tí）高了生產線自動化程度和可視度，同時，本係統硬件和軟

件設計適合多場合生產（chǎn）線機械（xiè）手臂要求，可根（gēn）據不同的工藝要求稍作調整（zhěng）。

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