基于PLC的六自由度焊接機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董長(zhǎng)福 胡興偉 武升杰 孫明軍 焦念剛

摘 要：六自由度焊接機(jī)器人對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要意義，也是實(shí)驗(yàn)制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要手段。本文研究六自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)分解和關(guān)節(jié)與工作件坐標(biāo)系合并原理，闡述機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)，通過PLC控制手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，完成手臂位姿控制的任意性，從而完成操作工作。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人;位姿;PLC

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）13-0067-02

0 引言

機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用水平象征著制造能力的水平，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[1]。由于人機(jī)協(xié)作機(jī)器人所具有的感知能力、友好性、操作指向性強(qiáng)、輕量化等特點(diǎn)，被逐漸地運(yùn)用到企業(yè)實(shí)際的生活生產(chǎn)中[2]。本文主要對(duì)焊接機(jī)器人手臂工作原理和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，保證本機(jī)構(gòu)完全實(shí)現(xiàn)六自由度工作的前提下，保證安全生產(chǎn)與精準(zhǔn)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

1 焊接機(jī)器人位姿確認(rèn)

焊接機(jī)器人使用了PLC、傳感器等技術(shù)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)等控制方法，使機(jī)器人根據(jù)操作者預(yù)輸入的配置文檔，通過調(diào)整機(jī)器人的軀干，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)部位運(yùn)動(dòng)到合適位置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)焊鉗和焊槍開始工作，完成指定操作工作，具體操作流程如圖1。

要實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的軀干運(yùn)動(dòng)，六自由度的機(jī)器人手臂無(wú)疑滿足了生產(chǎn)要求，六自由度的實(shí)現(xiàn)，即三個(gè)位移坐標(biāo)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，首先要確定機(jī)器人的工作件在空間坐標(biāo)系中的位姿形態(tài)。

首先設(shè)立一個(gè)基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系A(chǔ)，通過計(jì)算分析并定義機(jī)器人末端位姿P，，末端位姿P的位置分量如圖2所示。

要確定焊接機(jī)器人的工作件位姿，必須聯(lián)結(jié)機(jī)器人的剛性手臂坐標(biāo)系。

焊接機(jī)器人工作件以外的剛性手臂依靠關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)，在六自由度環(huán)境下不止一個(gè)關(guān)節(jié)，我們摘出一個(gè)關(guān)節(jié)i和鄰近的前后關(guān)節(jié)為例說明機(jī)器人手臂坐標(biāo)系位置圖，如圖3所示。

對(duì)于手臂坐標(biāo)系的某一連桿來說，關(guān)節(jié)關(guān)系描述，包括連桿長(zhǎng)度ai和鄰近連桿扭角αi，如圖3中展示，鄰近連桿關(guān)節(jié)一般是剛性元件，可作出中軸線，線長(zhǎng)即桿長(zhǎng)ai，兩線的夾角即扭角αi。

對(duì)于手臂坐標(biāo)系的兩連桿來說，運(yùn)動(dòng)關(guān)系描述，包括連桿夾角θi和距離di。如圖3中展示，兩關(guān)節(jié)的公垂線的夾角即連桿夾角θi，兩關(guān)節(jié)的公垂線間的距離即距離di。

通過以上四個(gè)參數(shù)的確定，可以實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的六自由度描述，也就是說，當(dāng)連桿i做移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，di隨著改變;當(dāng)連桿i做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，θi隨著改變。

一般來說，六自由度機(jī)器人串聯(lián)手臂機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的建立，應(yīng)當(dāng)滿足以下條件[3]：

（1）設(shè)定其中一連桿i所處空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)，同時(shí)處于連桿i+1的軸線上，且為兩關(guān)節(jié)軸線之間的公垂線與關(guān)節(jié)i+1軸線的交點(diǎn);

（2）手臂系統(tǒng)中，所有連桿的關(guān)節(jié)軸線所處的位置應(yīng)該與z軸處于一條直線上;

（3）串聯(lián)手臂機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)公垂線的矢量方向始終為i，且指向關(guān)節(jié)為i+1;

（4）通過右手螺旋法明確Y軸方向。

經(jīng)過矩陣求解，可以得到焊接機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)位姿參數(shù)方程：

si=sinθi;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

ci=cosθi;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

si+1，i-1=sin（θi+1+θi-1）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

ci+1，i-1=cos（θi+1+θi-1）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

公式（1）（2）（3）（4）即六自由度焊接機(jī)器人某一關(guān)節(jié)的正運(yùn)動(dòng)位姿。

2 弧焊機(jī)器人PLC位姿控制

可編程邏輯控制基本單元模塊包括CPU、存儲(chǔ)器，其作用包括存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)利用自動(dòng)化技術(shù)遠(yuǎn)程控制機(jī)械電氣裝置的目的，主要優(yōu)點(diǎn)包括強(qiáng)抗擾能力、自我檢測(cè)和機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。

焊接機(jī)器人手臂PLC控制通過總線通信，輸出多路PWM信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)動(dòng)關(guān)節(jié)，控制手臂的各個(gè)自由度。脈沖時(shí)間s參數(shù)由PLC實(shí)時(shí)變化，脈沖信號(hào)頻率與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，控制結(jié)構(gòu)可以如圖4所示。

以焊接機(jī)器人關(guān)機(jī)i為例，Ui與Ii形成步進(jìn)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速與工作后的時(shí)刻轉(zhuǎn)速，U和i體現(xiàn)PLC的自我檢測(cè)，作用是對(duì)信號(hào)修正，同時(shí)在操作臺(tái)有復(fù)位按鈕和限值調(diào)整按鈕，更換算法，完成不同操作。

依照?qǐng)D4的結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)如下，以Xi_start、Xi_stop、Xi_current表示手臂關(guān)節(jié)的空間位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到Xi_result，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值則取絕對(duì)值即手臂的工作運(yùn)行距離，同時(shí)決定了桿件的扭轉(zhuǎn)，即對(duì)應(yīng)著圖3中的di與θi。

在該焊接機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)中，PLC主要是用來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)頻率，即調(diào)節(jié)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)輸出脈沖。自由度數(shù)目為6，推導(dǎo)可得輸出脈沖R參數(shù)轉(zhuǎn)換矩陣如式（5）所示。

（5）

其中，β為軸數(shù)，γ為諧波速度，si和ci對(duì)應(yīng)式（1）和式（2），x0和y0對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

在實(shí)際控制中，建立變換坐標(biāo)系，以式（5）輸出PWM信號(hào)對(duì)焊接機(jī)器人手臂進(jìn)行邏輯控制。

3 弧焊機(jī)器人操作

弧焊機(jī)器人采用了交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精度高且剛性優(yōu)的RV減速機(jī)以及諧波減速器，同時(shí)采用了先進(jìn)的智能控制技術(shù)，來控制串聯(lián)手臂機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性與位置姿態(tài)，弧焊機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)操作如圖5。

4結(jié)語(yǔ)

本文把弧焊機(jī)器人作為分析對(duì)象，首先分析了六自由度弧焊機(jī)器人手臂的位姿形態(tài)、PLC位姿控制方式，并在實(shí)際操作中檢驗(yàn)工作效果，最終結(jié)果表明，六自由度焊接機(jī)器人能夠在配置文件PLC控制下完成手臂位姿控制，滿足生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)豐，許俊鋒，吳佳.基于PLC的機(jī)器人手臂位置控制算法研究[J].儀表技術(shù)，2016（06）：34-37+40.

[2] 王飛，晁智強(qiáng)，張傳清，等.機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤變導(dǎo)納控制仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（12）：280-285.

[3] 肖爽.六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2019.

Abstract：Six-degree-of-freedomwelding robot is of great significance to improve product quality and enterprise competitiveness， and is also an important means of automatic productioninexperimental manufacturing. In this paper， the principle ofsix-degree-of-freedom robot jointdecomposition and coordinate system combination between joint and work piece is studied， and the structure of robot arm is expounded.

Key words：robotic arm;posture;PLC

收稿日期：2020-06-09

作者簡(jiǎn)介：董長(zhǎng)福（1973—），男，山東濟(jì)寧人，本科，技術(shù)員，研究方向：礦山機(jī)電產(chǎn)品的研究與開發(fā)。

通訊作者：胡興偉（1988—），男，山東濟(jì)寧人，研究生，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)。