基于PLC的智能搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季　堯

基于PLC的智能搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季堯

(南京浦口中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211800)

近年來，隨生產(chǎn)企業(yè)的用工成本不斷攀升，各行業(yè)開始廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。相比傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人具有智能化、易使用、生產(chǎn)效率以及安全性高、可以在高危環(huán)境下作業(yè)、易于管理且經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。以FA-M3型PLC技術(shù)作為基礎(chǔ)研發(fā)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，可有效解決目前國內(nèi)工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)可靠性較低下、拓展性較薄弱等問題。

工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人；PLC；控制系統(tǒng)

物料搬運(yùn)在各種生產(chǎn)活動中屬于基礎(chǔ)的、長期的、重復(fù)的日常工作。目前我國大部分企業(yè)的物料搬運(yùn)工作是由人力完成，不但嚴(yán)重制約著企業(yè)的生產(chǎn)力解放，還抬高了企業(yè)的人力成本。近年來，我國沿海部分制造業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)出現(xiàn)“用工荒”的現(xiàn)象，企業(yè)的人力成本也在不斷上升，這就為工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人提供了大顯身手的舞臺，工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人有提升工業(yè)生產(chǎn)中的工作效率、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益、減小工人勞動強(qiáng)度等諸多優(yōu)勢。

以FA-M3型PLC技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)為測試對象，通過長時段、多種模式的搬運(yùn)，堆垛工作實(shí)測，解析運(yùn)轉(zhuǎn)等一系列測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有控制平穩(wěn)、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、性能比較可靠、應(yīng)用便利等優(yōu)點(diǎn)，且在實(shí)用性、先進(jìn)性等方面達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和完善提供了技術(shù)支持和借鑒。

1　工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動學(xué)分析

1.1　機(jī)器人機(jī)械原理

(1)工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與分析。工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的主體部分采用類似平衡吊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要完成運(yùn)動功能的是手臂部分的平行四連桿結(jié)構(gòu)，具備傳遞運(yùn)動、放大運(yùn)動位移、轉(zhuǎn)變運(yùn)動位移等功能。平行四連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就是選用閉環(huán)機(jī)構(gòu)，與開環(huán)機(jī)構(gòu)相比，其具備較高的牢固性與機(jī)械剛性。

(2)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)分析。工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有四個自由度，能夠完成水平方向的運(yùn)轉(zhuǎn)，確保機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的搬運(yùn)動作。機(jī)器人手臂部分采用的是平行四連桿結(jié)構(gòu)，可以推動末端執(zhí)行器在相同的垂直面中移動，絲杠副在水平方向上移動可以推動末端執(zhí)行器在相同的水平面中移動。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠防止機(jī)器人在運(yùn)行過程中出現(xiàn)過多的反解計(jì)算，避免了產(chǎn)生無解或多解的狀況。在工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的每一個關(guān)節(jié)位置上均裝設(shè)了限位開關(guān)，搬運(yùn)機(jī)器人一旦在運(yùn)行的過程中發(fā)生故障或無法按照程序運(yùn)轉(zhuǎn)，那么限位開關(guān)能夠保障機(jī)器人不會被嚴(yán)重?fù)p壞，還能保護(hù)人員和周邊設(shè)備的安全。

1.2　機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)

作業(yè)空間是機(jī)器人的一項(xiàng)核心技術(shù)參數(shù)，機(jī)器人末端執(zhí)行器可以移動范圍都是它的作業(yè)空間，機(jī)器人可以在作業(yè)空間內(nèi)以任意姿態(tài)靈活作業(yè)。工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的作業(yè)空間如圖1所示。

要使機(jī)器人準(zhǔn)確地重復(fù)完成一項(xiàng)工作，必須保證機(jī)器人的重復(fù)定位精度。要保證機(jī)器人的重復(fù)定位精度，就需要對機(jī)器人完成的重復(fù)動作進(jìn)行多次測量，對比測量結(jié)果，得出誤差值，再根據(jù)誤差值對機(jī)器人進(jìn)行校正。

圖1 作業(yè)空間示意圖

本設(shè)計(jì)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的主要參數(shù)如下。

(1)整體質(zhì)量1350kg；搬運(yùn)物品質(zhì)量不大于90kg；提起的最大速度為0.5次/s；末端執(zhí)行器最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度為15mm/s。

(2)控制軸數(shù)為四軸，驅(qū)動方式為伺服電機(jī)驅(qū)動。

(3)持續(xù)運(yùn)行的時間大于等于48h，持續(xù)運(yùn)行24h偏差不超出±3mm。

(4)具有四個運(yùn)動自由度，最大工作半徑2350mm。

(5)輸入電源功率(平均功耗)15kW。

2　搬運(yùn)過程分析及軌跡規(guī)劃

根據(jù)工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人"4-3-4"軌跡規(guī)劃，機(jī)器人搬運(yùn)操作過程如圖2所示。

圖2　工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)作業(yè)流程圖

使用Matlab軟件繪制整段軌跡的曲線如圖3所示。

圖3　整段軌跡曲線圖

運(yùn)用"4-3-4"軌跡規(guī)劃法可以在降低計(jì)算量的同時，確保生成的運(yùn)動軌跡平滑、連續(xù)、無突變。在Matlab軟件得到以上三段軌跡曲線圖，每段的位移、速度、加速度曲線基本平滑，可以看出機(jī)器人在作業(yè)過程中運(yùn)行順暢且連續(xù)[1]。

3　運(yùn)動控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)研究

3.1　運(yùn)動控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)簡介

PLC技術(shù)是工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心部分，PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。觸摸屏是整個系統(tǒng)的操作終端設(shè)備，操縱人員可以通過觸摸屏讀取與寫入指令，還可以監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。電源模塊(型號F3PU10-0S)主要為整個PLC系統(tǒng)供電[2]。通訊模塊(型號F3LE11-0T)為以太網(wǎng)接口模塊，可與外部設(shè)備通訊。運(yùn)動控制模塊(型號F3NC34-0N)可以控制最多4軸進(jìn)行線性、循環(huán)和球面插值，支持直接操作和模式操作兩種方式。數(shù)字量輸入模塊(型號F3XD16-3H)漏型/源型直流輸入兼用、24VDC、16點(diǎn)輸入，而數(shù)字量輸出模塊(型號F3YC16-0N)繼電器輸出、2A、16點(diǎn)輸出。

圖4　PLC控制系統(tǒng)簡圖

PLC控制系統(tǒng)通過運(yùn)動控制模塊通過控制各個軸伺服驅(qū)動器，從而控制伺服電機(jī)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓手、底座旋轉(zhuǎn)和手臂垂直和水平運(yùn)動。數(shù)字量輸入模塊，用來檢測各個電機(jī)軸的限位和外部信號的輸入以及控制電磁閥和輸出信號給外部設(shè)備。機(jī)器人軟件具備的功能包括基本功能、參數(shù)設(shè)計(jì)、示教功能、其它功能。

3.2　機(jī)器人原點(diǎn)回歸程序設(shè)計(jì)

3.2.1原點(diǎn)回歸的原理

原點(diǎn)回歸是指機(jī)器人在搬運(yùn)物料過程中，由于某些突發(fā)原因而終止作業(yè)后，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)返回原點(diǎn)重新開始作業(yè)[3]。進(jìn)行原點(diǎn)回歸操作要執(zhí)行三個步驟：首先確定機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)故障已經(jīng)排除后，將機(jī)器人的末端執(zhí)行器從停放點(diǎn)運(yùn)動到基準(zhǔn)點(diǎn)；其次將機(jī)器人的末端執(zhí)行器從基準(zhǔn)點(diǎn)移動至工作空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)；最后將PLC中的各個電機(jī)軸的目前位置數(shù)據(jù)清零，以保證機(jī)器人重新開始搬運(yùn)工作。

3.2.2原點(diǎn)回歸的過程

本設(shè)計(jì)采用自動模式下的原點(diǎn)回歸功能如圖5所示。操作人員在進(jìn)行原點(diǎn)回歸操作時，先是令機(jī)器人的四個電機(jī)軸在同一時間進(jìn)行JOG正轉(zhuǎn)運(yùn)行，一直到每個軸分別觸碰限位塊的瞬間記錄當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)，并分別停止各個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，此時機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置就是基準(zhǔn)點(diǎn)，之后四個電機(jī)軸都朝著反方向進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動，由于基準(zhǔn)點(diǎn)與原點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)(提前通過示教得到)是確定的，此時直線插補(bǔ)指令所需要運(yùn)動的位移數(shù)據(jù)便是固定的(通過PLC程序反運(yùn)算得到)，所以當(dāng)?shù)竭_(dá)原點(diǎn)后只需對PLC存儲的位置數(shù)據(jù)歸零即可。此原點(diǎn)回歸方法的優(yōu)勢是在機(jī)器人由基準(zhǔn)點(diǎn)朝著原點(diǎn)實(shí)施移動的時候，只需要根據(jù)PLC程序已經(jīng)設(shè)置好的數(shù)據(jù)移動至原點(diǎn)，這樣避免了重復(fù)讀取編碼器過程，合理解決了原點(diǎn)回歸遲滯性的問題，也提高了原點(diǎn)回歸精度和速度[4]。

圖5　新的原點(diǎn)回歸方法流程圖

4　結(jié)語

工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人是工廠完成自動化制造的關(guān)鍵技術(shù)與核心設(shè)備，是工業(yè)企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。筆者設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能多種多樣、運(yùn)轉(zhuǎn)比較牢靠，具備較高的性價(jià)比。

[1] 勾治踐.工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃及軌跡優(yōu)化研究[M].長春:吉林大學(xué)出版社,2016:111-112.

[2] 鐘肇新,范建東.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].3版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2003:25-26.

[3] 芮執(zhí)元,劉濤.碼垛機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與仿真[J].機(jī)械制造,2010,48(4):7-10.

[4] 宋亞男,陳永安,徐榮華,等.機(jī)器人運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(1):115-118.

Design of control system for conveying robot based on PLC

JI Yao

(Nanjing Pukou Secondary Professional School, Nanjing, Jiangsu 211800, China)

In recent years, with the rising labor cost of enterprises, all kinds of industrial robots have been widely used in various industries. Compared with traditional industrial equipment, industrial robots are intelligent, easy to use, have high production efficiency and safety, can operate in a high-risk environment, are easy to manage, and have significant economic benefits. Based on FA-M3 PLC technology, the motion control system of industrial handling robots can effectively solve the problems of low reliability and weak extensibility of the motion control system of domestic industrial handling robots.

industrial handling robot; PLC; control system

TP242

A

2096–8736(2022)01–0027–03

季堯(1985—)，男，江蘇南京人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向?yàn)殡姎狻LC、工業(yè)機(jī)器人。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍