基于PLC的多軸機械手運動控制設計

李子昀

（岳陽職業技術學院 機電工程學院，岳陽 414000）

隨著科技的不斷進步，現代控制技術和現代機器人技術隨之迅猛發展，使得工業機器人技術的應用領域越來越廣泛。機械手作為能代替人工從事工作環境惡劣、精度要求高以及工作強度高的設備，已被大量應用于工業生產。工業機器人作為現代制造業中典型的自動化設備，集中了機械技術、控制技術、人工智能技術、傳感器技術以及軟件技術等多種先進的學科技術[1]。目前，國外在機械手方面的探索主要在于高精度機械手應用的研究。雖然國內在機械手的運動建模、運動控制、優化控制和運動仿真等方面也展開了許多研究[2]，但是機械手的應用還存在很大的局限性，其中多軸機械手的運動控制和運動優化還需要繼續探討和研究。隨著可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的功能不斷完善，其性價比得到了很大提高，應用領域越來越廣泛。本文主要采用PLC對多軸機械手的運動控制進行設計。

1 基于PLC的多軸機械手控制系統組建

PLC是工業控制中常用且控制穩定的數字運算操作的電子系統。它以簡單的繼電器和計時器替換原有的各種復雜邏輯功能結構，將原有的復雜功能電路簡化成各種物理繼電器和計時器的組合體，從而使其編程語言得到了簡化。PLC是以繼電器梯形圖為基礎的圖形編程語言和模塊化的程序結構，能夠將程序編制變得清晰明了、直觀易懂、簡單易學[3]。PLC是無觸點控制系統，它的運行程序由軟件完成，輸入與輸出之間沒有實際連接，能夠隨意變化控制程序以實現不同的控制要求，且在其運行過程中不受硬件電路的約束[4-5]。在PLC控制系統中，PLC通過傳感器采集控制過程中的機械信號和參數，經過分析和處理后用以控制執行機構。它的外部連接如圖1所示。

圖1 PLC控制系統連接圖

在PLC控制多軸機械手的控制系統中，由檢測系統對多軸機械手的運行參數和狀態進行監控和檢測，并把檢測數據送給控制器PLC。控制器結合檢查數據和系統控制程序進行運行處理，之后由驅動器根據處理結果驅動多軸機械手的各個關節，使其完成設定的運動。此過程中可以通過計算機設定PLC控制程序和監控多軸機械手的運行過程。控制系統框圖如圖2所示。

圖2 基于PLC的多軸機械手控制系統圖

2 多軸機械手運動控制設計

遵循控制系統設計的先進性、實用性、開放性、實踐性和模塊化的原則，設計實用性較強的多軸機械手控制系統。該系統選擇相應的端口、元器件以及設計靈活的小系統，將運動控制各功能模塊分離開來，便于系統的調試、維護與拓展，同時能使多軸機械手的運動控制更穩定。多軸機械手由多個活動關節組成。各關節的控制結合了計算機控制、數字信號處理以及自動控制等多種先進技術，且每個關節的活動都由PLC控制相應的驅動器實現。在多軸機械手空間運動的過程中，它的運動軌跡由設定或規劃的路徑而定。以4軸機械手為例，它的控制系統框圖如圖3所示。

圖3 基于PLC的多軸機械手控制系統框圖

通過設定機械手運動行程，現規劃多軸機械手的空間運動軌跡圖，如圖4所示。本文中所涉及的控制對象整體為多軸機械手，對機械手各自由度進行分解，有關節1、關節2、關節3、關節4等多個活動關節。每個關節的控制均為獨立的控制對象，以便于多軸機械手的整體控制。其中需要控制關節1的運動、關節2的運動、關節3的運動以及關節4的運動，它們的運動行程設計按照相應的運動順序依次進行，每個周期的運動實現后又會重新到達初始位置。

圖4 機械手運動空間位置圖

規劃的機械手運動行程為（單工作周期）：0→[a]0′→[b]0→[c]1→[d]1′→[e]1→[f]1′→[g]1→[h]2→[i]2′→[j]2→[k]2′→[l]2→[m]3→[n]3′→[o]0。其中：[a]為關節2運動，運動到位的信號為2B1、高電平；[b]為關節1運動，運動到位的信號為1B1、低電平；[c]為關節3運動，運動到位的信號為3B1、高電平；[d]為關節2運動，運動到位的信號為2B2、高電平；[e]為關節5運動，運動到位的信號為5B1、高電平；[f]為關節2運動，運動到位的信號為2B1、高電平；[g]為關節3運動，運動到位的信號為3B2、高電平；[h]為關節1運動，運動到位的信號為1B1、高電平；[i]為關節2運動，運動到位的信號為2B2、高電平；[j]為關節2運動，運動到位的信號為2B1、高電平；[k]為關節2運動，運動到位的信號為2B2、高電平；[m]為關節5運動，運動到位的信號為5B1、低電平；[n]為關節4運動，運動到位的信號為4B1、高電平；[o]為關節2、4、5協調運動，停止條件為初始位。

多軸機械手的運動控制程序主要是實現對各個關節的運動控制，使各個關節從空間初始位姿穩定快速地到達空間末端位姿。設計的控制系統中，各個被控對象的控制軟件都包含有主程序和中斷服務程序。各個對象的控制主程序均基于一個整體控制系統，且能夠實現數字信號處理器的初始化和系統的設置。

3 結語

本文探討了基于PLC的多軸機械手的運動控制系統的設計，構建了基于PLC的多軸機械手的控制系統。實際使用效果顯示，該系統通用性較好。當系統控制要求改變時，基本不受硬件電路的限制。本文還對其多軸機械手的空間運動進行了規劃和設計，實現了基于PLC的多軸機械手的運動控制，系統控制靈活，且方便更換和添加控制對象，有極強的通用性和開放性，為多軸機械手開發式運動控制系統的研究提供了很好的借鑒，在工業實際中具有廣闊的應用前景。