PLC在六關節(jié)工業(yè)機器人控制中的設計應用初探

郭淼　劉玉瀟　康穎

摘 要：PLC在六關節(jié)工業(yè)機器人控制中具有很好的價值。基于此，本文闡述了六關節(jié)工業(yè)機器人結構、電機選擇和系統(tǒng)模型控制等工業(yè)機器人結構和控制方法，同時，提出了PLC在六關節(jié)工業(yè)機器人控制中的設計應用，主要包括了工業(yè)機器人的電路驅動設計、參數(shù)選擇、系統(tǒng)的硬件設計等，通過論述以上設計應用方法，來為設計人員提供一些參考。

關鍵詞：PLC；六關節(jié)工業(yè)機器人控制；以太網(wǎng)

引言：工業(yè)機器人作為工業(yè)發(fā)展的趨勢，為各個工業(yè)生產(chǎn)領域做出了非常大的貢獻，不僅提高了勞動生產(chǎn)力，還提高了工業(yè)自動化進程。工業(yè)機器人是通過提供運動執(zhí)行程序，來進行復雜的工作任務。近年來，不斷發(fā)展出來的智能機器人，已經(jīng)能夠按照原有的記憶裝置信息來實現(xiàn)復原示數(shù)的動作，進而完成自動重復執(zhí)行動作。

1六關節(jié)工業(yè)機器人的結構和控制方法

1.1六關節(jié)工業(yè)機器人結構分析

隨著電子控制技術不斷發(fā)展，PLC正向高速度、容量大等聯(lián)網(wǎng)及智能通信方向發(fā)展，通過聯(lián)網(wǎng)能夠實現(xiàn)PLC、變頻器、遠程I/O，并將其與上位的計算機進行連接，來構造出一種多級式分布系統(tǒng)。比如在三菱工業(yè)電機中，推出的一種CC-Link構建一種開放性面向現(xiàn)場控制的總線網(wǎng)路系統(tǒng)，DIN是德國工業(yè)標準，使用導軌是工業(yè)電氣元器件的一種安裝方式，安裝支持此標準的電氣元器件可方便地卡在導軌上而無需用螺絲固定，維護也很方便，一般來說，常用的導軌寬度是3.5cm。

現(xiàn)如今，很多的電氣元器件都有采用這種標準，比如有PLC、斷路器、開關、接觸器等。Wienet系列的以太網(wǎng)交換機非常適用于工業(yè)領域。該設備支持通用型以太網(wǎng)（10 Mbit/s），快速以太網(wǎng)（10 Mbit/s）和千兆以太網(wǎng)（1000 Mbit/s）。也同樣適用于RJ-45與光纖傳。現(xiàn)如今，遠程控制和遠程維護解決方案實現(xiàn)是通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)的，然而，通過互聯(lián)網(wǎng)接入，可能會存在不可預知的風險。從標準的GSM（2G），通過UMTS（3G）到標準的LTE。Wie-Service24 是一個優(yōu)化的VPN服務器門戶，同時利用Ricos FLEX現(xiàn)場總線系統(tǒng)，Wieland在接口控制和現(xiàn)場外圍設備之間提供了一個集成的概念。在設備附件，并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，模塊化I/O組件能夠實現(xiàn)遠程安裝。通過簡單明了的用戶界面配置，能夠實現(xiàn)人與人之間的交流溝通[1]。

1.2電機選擇和系統(tǒng)模型控制

（1）六關節(jié)機器人的結構設計。動作控制是通過點對點定位，連續(xù)使用CP控制，機器人通過抓取放置物體，使用雙蝸旋來傳動物體。一般市場中的運動控制器通常包括插補功能（直線插補或圓弧插補），協(xié)同運動、齒輪、凸輪和事件觸發(fā)動作（使用傳感器和位置鎖存）。在老控制器中，每軸使用專用的輸入和輸出。運動輸入，如使能、超程限位和編碼器輸入（每軸一個或兩個）和類似伺服命令的運動輸出（通常為+/-10V模擬量）和/或步進指令（步進和方向）。多數(shù)控制器還具有一些通用的I/O。新控制器依靠數(shù)字網(wǎng)絡，如EtherCAT或SERCOS用來傳遞控制信號至驅動器，接收和發(fā)送直接連接到驅動器的數(shù)字IO。

（2）PLCopen運動標準的第四部分包含了用于協(xié)調運動的功能塊。他們定義了一套標準化的功能塊，用于3D空間內(nèi)的復雜運動控制，包括運動轉換的功能塊。通常，這些轉換必須由廠商提供，因此，對于大多數(shù)制造商，如果運動控制器不支持，就不能添加運動轉換功能。這個標準現(xiàn)在創(chuàng)建了PLC、數(shù)控（CNC）機器人和運動控制之間的一座橋梁?，F(xiàn)在可以用一種和PLC一樣的編程環(huán)境，完成一臺機器的全部控制。這個標準使機器人、運動控制器成為控制系統(tǒng)的一個部分，而不是獨立系統(tǒng)。集成運動控制和邏輯控制，是現(xiàn)代機械控制的兩個主要需求。

2 PLC在六關節(jié)工業(yè)機器人控制中的設計應用

2.1工業(yè)機器人的電路驅動設計

PLC和電機繞組需要通過驅動電路，并使用電機的大電流及PLC弱點分離出來，來確保計算機能夠不受到外界磁場的干擾，因此，需要設計光電隔離方法的電機驅動電路。此次設計采用了四排硬件脈沖方式運行，一臺步進電機的相關需要PLC對4個點來控制，這樣設計采用的輸出是內(nèi)部波形設計。

2.2參數(shù)選擇

此次設計的系統(tǒng)采用的是三菱FX系列的PLC，而PLC型號是FX-64MT，從電路的結構來看，選擇達林頓管和V1-V4的參數(shù)，基數(shù)的極電設計的10mA。需要根據(jù)電機的一些電阻及靜態(tài)電流值，來計算出達林頓管的電流及電壓值，同時，還需要充分考慮達林頓管的功率及散熱片計算。此外，還要考慮順電機功功率和供電電壓等級，提升電機的效果，來留有一定預定。電阻是通過限制繞組中的電流值，由于電阻值很小且電流很大，電阻功率需要滿足原有電流要求，因此，步進驅動器可以設計成為一個模塊。

2.3系統(tǒng)的硬件配置

該系統(tǒng)是使用晶體管型是作為PLC作為控制系統(tǒng)的重點內(nèi)容，其具有的內(nèi)部輸入端接入信號主要包括教盒控制面板，比如中樞按鈕及機器關節(jié)限位含水接近開關，系統(tǒng)的輸出階段需要接入驅動器的控制六關節(jié)機器人的執(zhí)行示教動作，來作為弧焊電機器的聯(lián)動控制，硬件的系統(tǒng)框架圖內(nèi)容如下：檢測系統(tǒng)的輸入狀態(tài)—Fx可編程制造器—6步驅動器—二氧化碳聯(lián)動控制—開始六關節(jié)機器人—驅動電源。

PLC軟件程序設計，六關節(jié)機器人在軟件設計中，需要使用復讀式機器方法，同時具有自主學習能力，可以按照記憶裝置存儲信息具有人手示教的動作，示教的動作能夠自動執(zhí)行動作，使用示教盒完成三種控制方法來進行控制操作：

（1）手動方法設計。在設計過程中，通過對機關的各個關節(jié)進行調整，能夠實現(xiàn)達到任意的工作位置與工作原點，需要確定極限位置；

（2）手動示教位置工作方式，通過使用工作原點的機器人是借助手動按鍵示教在日后工作中所具有的一些動作。比如在機械設備工作中，讓機器人在A點首先抓取一個物體W，需要越過一個障礙物達到Z高度，再借助物體W到B點，并使用記憶元件把手動示教記憶下來；

（3）自動工作方法。需要借助記憶元件存儲數(shù)據(jù)，并執(zhí)行電機的動作，使其和示教工作方式中的動作相同，共同完成所要求的生產(chǎn)任務。PLC軟件程序主要包括以下內(nèi)容：初始化運行復位—手動工作——自動工作——調用數(shù)據(jù)傳送——數(shù)據(jù)比較——自動工作——雙四拍脈沖輸出——正轉程序[2]。

（4）程序設計中的重點內(nèi)容是功能補償，傳統(tǒng)的機械傳動存在著誤差，來使得機器人的傳動機構存在著返回誤差，既不能返回原有的程序隨著運轉次數(shù)的增加，積累定位存在著定位誤差。在程序執(zhí)行的過程中，需要校正程序。校正的方法存在著補償信息，其中補充的方法是每一個循環(huán)對每一個步驟進行適當?shù)难a充脈沖補充，相較于準確的原位，在消除返回誤差辦法通過結算循環(huán)次數(shù)，在循環(huán)次數(shù)后，需要進行繼續(xù)運轉的步行電機施加補充脈沖，來消除積累定位誤差。

結論：綜上所述，PLC在六關節(jié)工業(yè)機器人控制中是讓控制程序代碼獨立于硬件。在此基礎上，系統(tǒng)的輸出階段需要接入驅動器的控制六關節(jié)機器人的執(zhí)行示教動作，來作為弧焊電機器的聯(lián)動控制；同時，需要根據(jù)電機的一些電阻及靜態(tài)電流值，來計算出達林頓管的電流及電壓值。因此，PLC在汽車生產(chǎn)中能夠形成一個簡單可行的FA設備。

參考文獻：

[1]王宗躍.打磨機器人系統(tǒng)控制技術研究[D]。安徽工程大學，2017.

[2]向應軍.一種基于PLC的碼垛機器人設計與研究[D]。湖北工業(yè)大學，2017.