PLC在六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用初探

郭淼　劉玉瀟　康穎

摘 要：PLC在六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制中具有很好的價(jià)值。基于此，本文闡述了六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、電機(jī)選擇和系統(tǒng)模型控制等工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制方法，同時(shí)，提出了PLC在六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，主要包括了工業(yè)機(jī)器人的電路驅(qū)動設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)等，通過論述以上設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，來為設(shè)計(jì)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：PLC；六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制；以太網(wǎng)

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

1六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制方法

1.1六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

隨著電子控制技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)PLC、變頻器、遠(yuǎn)程I/O，并將其與上位的計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，來構(gòu)造出一種多級式分布系統(tǒng)。比如在三菱工業(yè)電機(jī)中，推出的一種CC-Link構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，使用導(dǎo)軌是工業(yè)電氣元器件的一種安裝方式，安裝支持此標(biāo)準(zhǔn)的電氣元器件可方便地卡在導(dǎo)軌上而無需用螺絲固定，維護(hù)也很方便，一般來說，常用的導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，比如有PLC、斷路器、開關(guān)、接觸器等。Wienet系列的以太網(wǎng)交換機(jī)非常適用于工業(yè)領(lǐng)域。該設(shè)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?，F(xiàn)如今，遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程維護(hù)解決方案實(shí)現(xiàn)是通過互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，然而，通過互聯(lián)網(wǎng)接入，可能會存在不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。從標(biāo)準(zhǔn)的GSM（2G），通過UMTS（3G）到標(biāo)準(zhǔn)的LTE。Wie-Service24 是一個優(yōu)化的VPN服務(wù)器門戶，同時(shí)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(shè)備之間提供了一個集成的概念。在設(shè)備附件，并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，模塊化I/O組件能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程安裝。通過簡單明了的用戶界面配置，能夠?qū)崿F(xiàn)人與人之間的交流溝通[1]。

1.2電機(jī)選擇和系統(tǒng)模型控制

（1）六關(guān)節(jié)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。動作控制是通過點(diǎn)對點(diǎn)定位，連續(xù)使用CP控制，機(jī)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(yùn)動控制器通常包括插補(bǔ)功能（直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)），協(xié)同運(yùn)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(yùn)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(yùn)動輸出（通常為+/-10V模擬量）和/或步進(jìn)指令（步進(jìn)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(luò)，如EtherCAT或SERCOS用來傳遞控制信號至驅(qū)動器，接收和發(fā)送直接連接到驅(qū)動器的數(shù)字IO。

（2）PLCopen運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)的第四部分包含了用于協(xié)調(diào)運(yùn)動的功能塊。他們定義了一套標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊，用于3D空間內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動控制，包括運(yùn)動轉(zhuǎn)換的功能塊。通常，這些轉(zhuǎn)換必須由廠商提供，因此，對于大多數(shù)制造商，如果運(yùn)動控制器不支持，就不能添加運(yùn)動轉(zhuǎn)換功能。這個標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在創(chuàng)建了PLC、數(shù)控（CNC）機(jī)器人和運(yùn)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(jī)器的全部控制。這個標(biāo)準(zhǔn)使機(jī)器人、運(yùn)動控制器成為控制系統(tǒng)的一個部分，而不是獨(dú)立系統(tǒng)。集成運(yùn)動控制和邏輯控制，是現(xiàn)代機(jī)械控制的兩個主要需求。

2 PLC在六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1工業(yè)機(jī)器人的電路驅(qū)動設(shè)計(jì)

PLC和電機(jī)繞組需要通過驅(qū)動電路，并使用電機(jī)的大電流及PLC弱點(diǎn)分離出來，來確保計(jì)算機(jī)能夠不受到外界磁場的干擾，因此，需要設(shè)計(jì)光電隔離方法的電機(jī)驅(qū)動電路。此次設(shè)計(jì)采用了四排硬件脈沖方式運(yùn)行，一臺步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)需要PLC對4個點(diǎn)來控制，這樣設(shè)計(jì)采用的輸出是內(nèi)部波形設(shè)計(jì)。

2.2參數(shù)選擇

此次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)來看，選擇達(dá)林頓管和V1-V4的參數(shù)，基數(shù)的極電設(shè)計(jì)的10mA。需要根據(jù)電機(jī)的一些電阻及靜態(tài)電流值，來計(jì)算出達(dá)林頓管的電流及電壓值，同時(shí)，還需要充分考慮達(dá)林頓管的功率及散熱片計(jì)算。此外，還要考慮順電機(jī)功功率和供電電壓等級，提升電機(jī)的效果，來留有一定預(yù)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(jìn)驅(qū)動器可以設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jī)器關(guān)節(jié)限位含水接近開關(guān)，系統(tǒng)的輸出階段需要接入驅(qū)動器的控制六關(guān)節(jié)機(jī)器人的執(zhí)行示教動作，來作為弧焊電機(jī)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(qū)動器—二氧化碳聯(lián)動控制—開始六關(guān)節(jié)機(jī)器人—驅(qū)動電源。

PLC軟件程序設(shè)計(jì)，六關(guān)節(jié)機(jī)器人在軟件設(shè)計(jì)中，需要使用復(fù)讀式機(jī)器方法，同時(shí)具有自主學(xué)習(xí)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(jìn)行控制操作：

（1）手動方法設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，通過對機(jī)關(guān)的各個關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到任意的工作位置與工作原點(diǎn)，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(diǎn)的機(jī)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(jī)械設(shè)備工作中，讓機(jī)器人在A點(diǎn)首先抓取一個物體W，需要越過一個障礙物達(dá)到Z高度，再借助物體W到B點(diǎn)，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(jī)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(wù)。PLC軟件程序主要包括以下內(nèi)容：初始化運(yùn)行復(fù)位—手動工作——自動工作——調(diào)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(zhuǎn)程序[2]。

（4）程序設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容是功能補(bǔ)償，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動存在著誤差，來使得機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)存在著返回誤差，既不能返回原有的程序隨著運(yùn)轉(zhuǎn)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(bǔ)償信息，其中補(bǔ)充的方法是每一個循環(huán)對每一個步驟進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充脈沖補(bǔ)充，相較于準(zhǔn)確的原位，在消除返回誤差辦法通過結(jié)算循環(huán)次數(shù)，在循環(huán)次數(shù)后，需要進(jìn)行繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的步行電機(jī)施加補(bǔ)充脈沖，來消除積累定位誤差。

結(jié)論：綜上所述，PLC在六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制中是讓控制程序代碼獨(dú)立于硬件。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的輸出階段需要接入驅(qū)動器的控制六關(guān)節(jié)機(jī)器人的執(zhí)行示教動作，來作為弧焊電機(jī)器的聯(lián)動控制；同時(shí)，需要根據(jù)電機(jī)的一些電阻及靜態(tài)電流值，來計(jì)算出達(dá)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(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]向應(yīng)軍.一種基于PLC的碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D]。湖北工業(yè)大學(xué)，2017.