一種六自由度機(jī)械臂的控制系統(tǒng)設(shè)計

肖海

摘 要：機(jī)械臂是機(jī)器人最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有時變、強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)。因此，對六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計問題的研究十分重要。以六自由度機(jī)械臂為研究對象，采用PLC（可編程序控制器）設(shè)計其控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)分析，以保證六自由度機(jī)械臂能夠高效、平穩(wěn)的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；控制系統(tǒng)；適應(yīng)性；PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP241；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.123

1 六自由度機(jī)械臂研究發(fā)展簡析

六自由度機(jī)械臂就是多自由度機(jī)械臂，具有高速、靈活等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)等已知環(huán)境中扮演著非常重要的角色。它屬于典型的強(qiáng)耦合多輸入/輸出的非線性系統(tǒng)。從目前情況看，對機(jī)械臂軌跡快速跟蹤控制的研究比較多，但許多重點(diǎn)還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，對機(jī)械臂建模和機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究是十分關(guān)鍵的。

2 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與PLC控制系統(tǒng)

2.1 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

六自由度機(jī)械臂是以六關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)，其關(guān)節(jié)傳動是用絕對編碼器電機(jī)和精密諧波減速器實(shí)現(xiàn)的。小臂位置會裝設(shè)相應(yīng)的攝像頭和氣動工具，這些都是其非常關(guān)鍵的外部設(shè)備接口，且提供相應(yīng)的電氣接口。另外，用戶也能進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。機(jī)械臂控制大多集成了PC技術(shù)、圖像技術(shù)和邏輯控制等，其間還采用專業(yè)運(yùn)動控制技術(shù)、VME運(yùn)動控制器，其性能可靠、穩(wěn)定且速度快、精度高。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制被應(yīng)用于各大領(lǐng)域，此類控制系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，且極具抗干擾能力，應(yīng)用便捷、簡單。該控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械中意義重大。比如用于中央空調(diào)的PLC系統(tǒng)，它可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、控制和連鎖，同時，可以保護(hù)整個空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，數(shù)據(jù)顯示功能可以有效顯示空調(diào)冷水出入口和冷卻水出入口的溫度，還能顯示其蒸汽閥門開度和溶液泵等數(shù)據(jù)。應(yīng)用這個系統(tǒng)，可以幫助人們及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的問題。其長時間儲存的數(shù)據(jù)為空調(diào)發(fā)展與研究提供了必不可少的數(shù)據(jù)支撐。其控制功能運(yùn)行方式主要是軟手動、就地手動和自動3種，而采用這三種控制功能運(yùn)行方式所構(gòu)建的空調(diào)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)合理調(diào)節(jié)和快速啟動，從而更好地控制空調(diào)開關(guān)及其運(yùn)行速度，充分降低能源消耗，以此提升空調(diào)的環(huán)保性，強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此，PLC控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大且安全、可靠，具有很好的靈活性，應(yīng)用于機(jī)械中的效果和作用很好。PLC控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

3 基于PLC控制的六自由度機(jī)械臂控制

3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于PLC控制系統(tǒng)的六自由度機(jī)械臂設(shè)計十分靈活，其伸縮擴(kuò)展很容易實(shí)現(xiàn)?？梢哉f，它的關(guān)量控制非常好，更適用于六自由度機(jī)械臂設(shè)計?；赑LC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PID回路連

續(xù)運(yùn)行，能夠與上位機(jī)構(gòu)充分結(jié)合，從而形成復(fù)雜且多功能的控制系統(tǒng)，比如直接數(shù)字控制和分布式控制系統(tǒng)。將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于六自由度機(jī)械臂設(shè)計中，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程全方位自動化，以此快速提升生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)速度，為相關(guān)企業(yè)節(jié)省人力資源和各方面的成本。

3.2 基于PLC控制系統(tǒng)的使用

基于PLC控制系統(tǒng)具有非常強(qiáng)大的功能，其編程非常簡單，操作便捷。這里強(qiáng)調(diào)的是以簡單明確的梯形圖、語句表和邏輯圖實(shí)現(xiàn)語言編程，其間不需要過多的計算機(jī)與相關(guān)技術(shù)，簡單學(xué)習(xí)之后就能了解各項開發(fā)和應(yīng)用情況。同時，其所需的開發(fā)時間短，可在短時間之內(nèi)實(shí)現(xiàn)PLC開發(fā)和應(yīng)用，從而合理節(jié)約了生產(chǎn)時間，使機(jī)械臂現(xiàn)場調(diào)試簡單、有效，快速健全機(jī)械臂功能及其組裝等方面的內(nèi)容，確保后續(xù)檢修和養(yǎng)護(hù)工作操作的適宜度?；赑LC控制系統(tǒng)的機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)在線程序的更改，改善傳統(tǒng)控制方案，加快相應(yīng)控制方案的更改速度，為相關(guān)企業(yè)節(jié)約更多的人力資源和物力資源，推動企業(yè)的生產(chǎn)，盡可能地避免各方面問題的出現(xiàn)。

3.3 基于PLC控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性

基于PLC控制系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)諸多惡劣環(huán)境，強(qiáng)化機(jī)械臂的適應(yīng)力，提高其抗干擾能力，確保機(jī)械臂運(yùn)作更加安全、可靠，這比同類機(jī)械的使用效果更好。機(jī)械臂可在多種環(huán)境下工作，它能夠有效避免各方面因素對其的影響，同時，也能保證工作人員的生產(chǎn)安全?；赑LC控制系統(tǒng)的機(jī)械臂生產(chǎn)效率和生產(chǎn)寬度被合理提升后，其能快速完成許多人力不能完成的工作，從而進(jìn)一步提升企業(yè)的生產(chǎn)力。這樣做，也能在一定程度上提升我國的國際競爭力，提高我國的國際地位。

具體而言，在基于PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，主要分為3個階段，這里強(qiáng)調(diào)的是輸入采樣、輸出刷新和用戶程序的全面執(zhí)行。其間所蘊(yùn)含的階段強(qiáng)調(diào)的是PLC控制系統(tǒng)工作周期的全方位掃描。在此過程中，可以按照相應(yīng)的掃描速度連續(xù)不斷地循環(huán)掃描。目前，PLC控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于我國氣動控制和電動接卸領(lǐng)域，并且此類技術(shù)也推動了閥島技術(shù)的發(fā)展。另外，PLC控制系統(tǒng)在機(jī)械臂領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛。該控制系統(tǒng)使得機(jī)械臂操作更加簡單、便捷，同時，其功能也被不斷擴(kuò)大。

4 基于PLC的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計主要是由工控機(jī)、PLC、觸摸屏、服驅(qū)動器、同步交流電機(jī)和編碼器構(gòu)成的。工控機(jī)和觸摸屏屬于監(jiān)控層，其主要作用是監(jiān)控機(jī)械臂的運(yùn)行情況；PLC

屬于控制層，用戶可于工控機(jī)中編寫程序，同時，將其下載到PLC中，更好地控制PLC伺服驅(qū)動，保證各個伺服電機(jī)能夠合理協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 PLC軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)程序運(yùn)用的是模塊化編程思想，將驅(qū)動參數(shù)快速初始化。這時，機(jī)械臂可快速回到原點(diǎn)，再采用運(yùn)動學(xué)正解、反解和路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)程序功能塊。這些都是非常重要的子程序，能保證程序結(jié)構(gòu)更加清晰，修改快速。

4.2.2 運(yùn)動學(xué)正反解算法設(shè)計

在工作過程中，采用的伺服電機(jī)應(yīng)改變轉(zhuǎn)角來驅(qū)動機(jī)械臂工作，要合理定位平動盤位置，同時，并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)。這里強(qiáng)調(diào)的是將其與電機(jī)轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，而其間互相轉(zhuǎn)換主要是運(yùn)動學(xué)正解算法和運(yùn)動學(xué)反解算法這兩方面。正解算法是用各臺伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角推算出平動盤于平面中的位置；反解算法則強(qiáng)調(diào)的是用平面中平動盤合理推算出電機(jī)中軸的旋轉(zhuǎn)角度。

4.2.3 人機(jī)界面設(shè)計

通常情況下，人機(jī)界面設(shè)計是選擇合理的監(jiān)控程序設(shè)計監(jiān)控軟件，從機(jī)械臂控制系統(tǒng)的角度對監(jiān)控功能提出要求。具體而言，監(jiān)控系統(tǒng)主要是由以下幾方面構(gòu)成的：①主界面。主界面可顯示六自由度并聯(lián)機(jī)械臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)，還有其電機(jī)左右抱閘控制和伺服鎖定控制，采用指示燈來指示狀態(tài)，以便及時觀測機(jī)械臂的實(shí)時位置。②自動控制界面。此界面中有機(jī)械臂的自動運(yùn)行按鍵，比如自動啟動和STOP等類按鈕，也可以設(shè)置自動運(yùn)行中的許多位置和屏障高度。另外，此界面還應(yīng)設(shè)置適宜的鐵片，其厚度應(yīng)適宜六自由度機(jī)械臂控制，還有其循環(huán)次數(shù)和運(yùn)動速度等類參數(shù)。③手動控制界面。該界面可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的手動操作，比如其相應(yīng)的點(diǎn)動，嚴(yán)格指定相關(guān)位置絕對移動。④報警界面。此界面主要是用指示燈指示相應(yīng)的方向，警示其越限和軸錯誤。同時，要設(shè)置相應(yīng)的按鈕，如果出現(xiàn)越限警報，可及時按下清除按鈕將機(jī)械臂恢復(fù)到原始位置。

5 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械臂是工業(yè)自動化領(lǐng)域中一種常用、高效、可靠的自動化裝置。機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用PLC控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，使用PLC控制方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。要想滿足機(jī)械臂控制系統(tǒng)的不同工作需求，機(jī)械臂控制系統(tǒng)要具有較強(qiáng)的靈活性和可操作性?；赑LC控制系統(tǒng)的六自由度機(jī)械臂，可快速提升機(jī)械臂功能水平，促進(jìn)六自由度機(jī)械臂的發(fā)展，進(jìn)而推動我國工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)水平的快速提升。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕