基于PLC的自動線機械手角度自動控制算法

高 菲

（呼和浩特職業學院 內蒙古 呼和浩特 010070）

0 引言

伴隨著科學和經濟的不斷發展，機械制造領域逐漸走向自動化和智能化。在現代自動化控制領域中，機械手是生產制造不可或缺的一部分[1-2]。在此過程中不僅能夠適應極端惡劣環境，代替人類進行高強度、高危險、枯燥重復的操作，而且能夠高精確度完成所需動作，對工件進行自動抓取、轉移、旋轉、釋放等[3-4]。

但是，由于自動線機械手在角度控制的方面存在不足，如系統軟硬件的設計問題、工作空間的定位偏差等都會造成角度控制的偏差，從而導致生產制造的能源產生大量的浪費，工作效率也大為降低。為了解決上述問題，機械手的動作控制系統不斷發展，從早期的繼電器控制系統過渡到如今的PLC控制系統[5]。由于PLC系統具有易操作性、占地位置小、運算速度快等優點，基于PLC系統的算法在控制領域具有絕對優勢，因此機械手作業可以通過充分優化的PLC系統進行編程，控制操作系統，提高其智能化水平。在此基礎上，本文提出了基于PLC的自動線機械手角度自動控制算法，對自動線機械手的角度控制進行優化，減少角度旋轉誤差，提高工作效率。

1 自動線機械手角度控制方法

1.1 機械手運動位置檢測

機械手運動位置的檢測主要是在PLC控制系統中進行的，中央計算機控制是PLC控制系統操作機械手運動位置檢測的最重要部分，擁有獨立的邏輯規劃程序，能夠通過使用者所設置的偏好進行自我調整，精確地對自動線機械手進行運動控制。在此過程中，機械手通過掃描外部環境得到信號，進而輸出相應的控制信號，對機械手的運動軌跡進行原始規劃。同時利用中央計算機的自檢功能，感知機械手的運動錯誤，借助中央計算機的計算和邏輯運算的功能，及時調整機械手運動軌跡，編寫正確的程序。

機械手平臺由3個偏心方向輪構成，輪間夾角120°，每個輪子分別有兩個電機控制它的滾動與轉動。平臺具有前后、左右和自轉三個自由度，它的廣義坐標為平臺中心坐標以及旋轉方向角度。同時用于檢測障礙物的紅外傳感器和超聲傳感器，則分別分布于平臺外表面。一般機械手能夠四個旋轉角度中自由旋轉。機械手的肩部、大臂、小臂、手肘四個部位都設置有轉動關節[6]。如圖1為機械手的三維模擬圖。

圖1 機械手三維模擬圖

機械手的三維模擬圖是以空間坐標系為基礎進行建立的，而三維空間中要采用手眼標定的方法，對機械手進行具體位置坐標標定，才能將像素坐標系轉化為空間坐標系[7-9]。在基于PLC的機械手控制中，利用PLC控制系統將檢測到的目標圖像進行像素定位，利用D-H法創建機械手模型，將機械手圖像像素坐標通過標定坐標轉換矩陣的方式，轉換為三維空間坐標系。

這些向量每兩個向量互相正交，用來表示機械手的旋轉位置。

通過轉換矩陣標定機械手空間坐標系，從而確定機械手的運動位置，調整機械設備的執行元件和使用者的設備偏好，促使機械手的運動位置處于一個設定好的動作狀態，從而增進機械手運動位置檢測的有效性。

1.2 I/O地址分配

PLC控制系統中，I/O地址分配需要PLC協調各控制量，保證數字量信號、傳感器信號、氣動元件、變頻器以及步進驅動在輸入、處理、驅動中的控制。I/O接口在PLC控制器中充當著與外圍設備信息連接的橋梁，外部控制信號和傳感檢測信號經由輸入接口傳輸至PLC控制器，而輸出接口則負責將PLC控制指令傳輸至被控設備；借由通信接口將機械手與中央計算機、上位機和控制操作屏進行信息溝通連接，同時PLC也可通過通信接口與外部系統相連接，組成多機控制系統，從而滿足大規模工業控制需求。因此，為了滿足自動線機械手角度自動控制，需要根據自動線的外圍進行I/O地址分配。

圖2 中斷驅動方式流程圖

如圖2所示，在中斷驅動方式流程圖中，I/O口通過PP72/48模塊實現系統與外圍設備的信息交換，分配自動線機械手運行角度數據，明確集群中I/O結點上的數據，并進行數據計算和訪問。同時I/O子系統中，通過增加I/O結點的數量，進一步擴大計算規模。在實現并行I/O時，通過合適的數據分配策略，將數據分配到不同的節點磁盤上，促使PLC控制系統中的資源得以充分利用，從而提高數據存儲的效率和速度。

1.3 PTO位控機械手角度

基于PLC的自動線機械手角度自動控制程序主要包含程序初始化、角度復位模塊、單次數循環程序、定次數循環程序、定時加工程序、系統暫停程序、HMI參數監控程序等，各子程序經由主程序的調用指令實現系統調用過程[10]。筆者將主程序切分為若干子程序，編寫PLC控制程序，促使PLC程序所輸出代碼簡單化，減少機械手角度掃描時間，提高設備工作效率的同時簡化結構程序，方便日后機械手設備的調試維護和修改檢查。

PLC自由口PTO通過S7-200自由口通信協議構成上位機—下位機二級控制結構，提高了自動線機械手角度控制的精準度。PTO位置控制程序中，主要包括以下兩方面內容：（1）位置控制程序的調用，這一部分主要是根據網絡通信的結果，通過不同PTO位置的調用，進而控制子程序；（2）PTO位置控制子程序，這一部分則是根據相鄰兩個單元之間的距離，進一步確定不同位置的運動方式和脈沖數量，通過西門子step-7編程軟件提供的位控編程，實現向導的完成和PTO位置對子程序的控制。

表1 多段PTO操作的包絡表

如表1所示，設置PTO控制字（允許PTO多段操作模式）和設置多段PTO操作包絡表，控制Q0.0輸出脈沖子程序，通過PTO編程步驟。分別為：①設置包絡段數；②寫入初始周期；③寫入脈沖周期增量；④寫入輸出脈沖數；⑤設置PTO控制；⑥設計包絡的起始位置；⑦執行PLC指令，對PTO進行編程。

根據PLC控制系統中的PTO位置控制模塊獲取機械手最優軌跡與擺線軌跡間的偏差值。假如系統最終運動到穩定狀態的最長時間為Tmax，根據能量守恒定律要求，可采用非保守力做功表示機械手系統在運行過程中消耗的能量W，因此第i個函數定義為式（2）所示：

式中，i為個數；αi為權值；Ti為控制輸入；△hi為實際運動軌跡和擺線軌跡間的偏差值，機械手總目標函數為式（3）所示：

通過改進算法優化此函數，使得值最小，從而獲得最優能量消耗。通過優化算法進一步得到機械手的最后軌跡：

圖3 梯形速度模式

采用較為典型的梯形速度模式，把機械手關節運動速度劃分為如圖3所示的三個階段，第一部分為機械手旋轉勻加速運動時間段，第二部分為機械手旋轉勻速運動時間段，第三部分為機械手旋轉勻減速運動時間段。在自動線機械手在角度調整過程中，對于機械手的關節運動過程要求平穩，對機械手末端運動過程要求趨于平滑，且盡可能降低對伺服電機系統造成沖擊和磨損。

2 實驗論證分析

為了驗證本文所設計的基于PLC的自動線機械手角度自動控制算法能夠減少機械手在旋轉角度時的誤差，于是進行實驗。

首先，進行自動線機械手角度自動控制系統的調試工作。

第一步，將自動線機械手角度旋轉切換為手動控制模式，在手動控制模式下進行基準線的調試和設置。

第二步，檢查變頻器的輸電運轉情況，以及檢查各部分機器執行傳達路線是否通暢。

第三步，確認實驗現場環境足夠機械手擺動，避免因空間問題導致的機械手角度調整偏差。

第四步，提高機械手感觸靈敏度。

其次，檢驗和調試PLC控制程序。第一步，要按照工作流程順序對每一個工作單元進行調試，要通過多次檢驗、反復調試，最終確保自動線機械手的每個工作單元以及每個工作單元所包含的每一個單獨工位皆可以穩定地運行。第二步，以此為基礎，要對自動線機械手角度自動控制所有工作單元進行聯動調試，系統聯調的目的是要確保自動套袋機的整體協調控制性能，務必確保控制系統在任何環節都不能出現差錯，否則就要對控制系統的軟硬件進行重新修改，直到修改至沒有錯誤發生為止。

除此之外，要著重檢驗該控制系統中PLC控制器和觸摸屏之間的通信狀態是否良好，通信線路是否發生破損以及信息采集時間是否滿足控制系統要求，因為通信系統對于自動套袋設備的控制有著十分重要的影響；接著，要通過對設備模擬意外情況的發生，檢驗報警系統是否工作正常。

圖4 Z軸方向運動控制誤差

如圖4所示為實驗結果。通過實驗結果可以看出，本文所設計的基于PLC的自動線機械手角度自動控制算法能夠大大減少機械手在旋轉角度時的誤差，將誤差維持在相對穩定的數值之間，大大提高了工作效率。

3 結語

本文以PLC技術為基礎，設計出自動線機械手角度自動控制算法，大大減小了角度旋轉的誤差。將機械手在自動旋轉角度時產生的誤差維持在相對穩定的數值之間，通過減少誤差從而減少了資源的浪費，大大提高了企業的經濟效益和工作效率。