基于PLC的自動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

摘要：控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人的核心部分，如同人類(lèi)的大腦一樣決定著機(jī)器人的自動(dòng)化水平。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度的有效控制，提高機(jī)器人的自動(dòng)化程度，讓機(jī)器人更好地適應(yīng)外界工作環(huán)境。本文選擇PLC技術(shù)為研究對(duì)象，結(jié)合智能化技術(shù)的最新發(fā)展，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，希望能夠?yàn)镻LC技術(shù)在自動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：PLC;自動(dòng)控制;機(jī)器人;控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

工業(yè)4.0時(shí)代對(duì)機(jī)器人的控制技術(shù)提出了更好的要求，要求機(jī)器人高精度、超高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。因此，近年來(lái)機(jī)器人控制系統(tǒng)向著數(shù)字交流化、智能化、新型半導(dǎo)體元件大功率化、模塊化等高精尖化的方向發(fā)展，一方面速度精度都得以不斷提高，另一方面，結(jié)構(gòu)和操作日益簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)化水平正在日益提高。PLC控制器因?yàn)榉奖沆`活、成本低廉、編程簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于控制器中。本文設(shè)計(jì)的基于PLC的自動(dòng)機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)單性、實(shí)用性、結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性，滿(mǎn)足速度、加速度、力矩的要求，抗干擾能力強(qiáng)，定位精度高，行走能力強(qiáng)。

1機(jī)器人控制系統(tǒng)和PLC控制相關(guān)概述

1.1 機(jī)器人的控制方式

機(jī)器人控制方式主要有兩種：首先是點(diǎn)位控制，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)末端執(zhí)行器的點(diǎn)位進(jìn)行定位，無(wú)需考慮運(yùn)動(dòng)路徑，但是精度上仍然還需要提高。其次輪廓控制，該定位方式較為嚴(yán)格，要求機(jī)器人在速度和路徑上必須要嚴(yán)格一致，并且進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)，通過(guò)嚴(yán)格的控制提高定位精度。從內(nèi)部原理上來(lái)看，也是分為兩種，非伺服控制系統(tǒng)采用事先編制好運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，適用于PLC等運(yùn)動(dòng)程序簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，其控制方式簡(jiǎn)單。伺服控制是當(dāng)前自動(dòng)機(jī)器人常見(jiàn)的控制方法，利用各種傳感器將外界信息傳輸?shù)较到y(tǒng)，并且進(jìn)行處理，這將是未來(lái)機(jī)器人技術(shù)的主要發(fā)展方向。伺服控制系統(tǒng)按照動(dòng)力形式劃分包括電型、液壓型和氣動(dòng)型，按照?qǐng)?zhí)行元件的類(lèi)型可以分為直流和交流，按照控制方式可以分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)^[1]。

1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成

控制器，主要是根據(jù)指令要求控制各個(gè)執(zhí)行器完成相應(yīng)地操作，是機(jī)械人的核心機(jī)構(gòu)。控制參數(shù)，主要包括速度和位移以及力矩等參數(shù)，通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行控制。執(zhí)行工作環(huán)節(jié)，主要將控制器發(fā)出來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。測(cè)試環(huán)節(jié)，通過(guò)傳感器和變換回路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。比較環(huán)節(jié)，針對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，然后計(jì)算出信號(hào)偏差。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，機(jī)器人是通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，包括使用DSP和PLC進(jìn)行控制。工業(yè)計(jì)算機(jī)的控制器得益于巨大的計(jì)算能力，處理器能夠高速運(yùn)行，搭配集成電路，具有強(qiáng)大的控制功能^[2]。

1.3 PLC相關(guān)概述

PLC系統(tǒng)即可編程邏輯控制器，在工業(yè)場(chǎng)景中有廣闊的適應(yīng)性，其各項(xiàng)功能都可以進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)，編程簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，加之具有體積小、重量輕、能耗低，因此應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)以微型處理器為核心，結(jié)合智能控制領(lǐng)域的最新技術(shù)，抗干擾性強(qiáng)，包含故障檢測(cè)和自診斷程序，對(duì)外在環(huán)境有良好的判斷力。其基本結(jié)構(gòu)包括模塊式和整體式兩種，主要元件包括中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、通訊接口、編程設(shè)備等。PLC系統(tǒng)具有強(qiáng)大的指令功能和極高的通訊能力，使多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)得以實(shí)現(xiàn)，這讓系統(tǒng)可能在高精度狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。PLC技術(shù)不需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)就能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制，因此，本文采用PLC設(shè)計(jì)方案。在PLC設(shè)備選型中要做好輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、控制功能的選擇，根據(jù)結(jié)果的復(fù)雜程度來(lái)選擇合適的功能模塊^[3]。

2 基于PLC的自動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，節(jié)能降耗，能夠根據(jù)不同的工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。功能要滿(mǎn)足機(jī)器人的自動(dòng)控制需求，同時(shí)具有手動(dòng)功能，指令功能良好。無(wú)論是在負(fù)載和空載狀態(tài)下，機(jī)器人都能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)隨遇平衡狀態(tài)。為了方便一線(xiàn)操作人員使用，系統(tǒng)采用組態(tài)軟件，這樣他們不需要具有非常專(zhuān)業(yè)的知識(shí)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。為了方便使用，系統(tǒng)采用高度人際和諧的視窗界面，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)記錄的需要。系統(tǒng)支持立體 3D 圖庫(kù)，采用多樣的語(yǔ)言文字表現(xiàn)形式，具有擴(kuò)展報(bào)警功能和過(guò)程控制數(shù)據(jù)采集功能，和傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的圖像更為形象，同時(shí)采用全新的動(dòng)畫(huà)編輯方式，使用豐富的表現(xiàn)語(yǔ)言。編程過(guò)程中采用TouchWin 編程工具，提升變成的可靠性，提升控制的水平。機(jī)器人有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在手動(dòng)模式下，可以對(duì)各軸的正反向運(yùn)動(dòng)分別調(diào)節(jié)，控制運(yùn)動(dòng)量和深度。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可以監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置和運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)論在手動(dòng)還是在自動(dòng)模式下，都可以對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，方便進(jìn)行操作，在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警功能自動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)故障，確保機(jī)器人在正確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)^[4]。

2.2 系統(tǒng)的安裝和調(diào)試

機(jī)器人安裝不能直接使用220v電壓，要使用變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，使用36V直流供電。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，機(jī)器人非常容易受到干擾，其自動(dòng)化水平會(huì)大幅降低，因此在系統(tǒng)安裝之后，要進(jìn)行調(diào)試程序。機(jī)器人本體安裝好之后，要進(jìn)行可靠接地設(shè)計(jì)，檢查強(qiáng)電連接，確保電源輸出和輸入正確，查看電機(jī)有無(wú)異常發(fā)熱，每個(gè)關(guān)節(jié)是否都能正常運(yùn)動(dòng)。按照系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行示教過(guò)程，將各軸用手動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)到開(kāi)始位置，整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。再根據(jù)示教模式設(shè)定機(jī)器人的速度，從1m/s到3m/s提升速度，測(cè)試機(jī)器人穩(wěn)定性。在進(jìn)入到程序點(diǎn)用軸操作鍵，讓機(jī)器人達(dá)到作業(yè)狀態(tài)，按下確認(rèn)鍵，讓機(jī)器人按照既定路徑進(jìn)行相關(guān)操作。周而復(fù)始，反復(fù)執(zhí)行示教程序，并且測(cè)試誤差，進(jìn)一步對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦和神經(jīng)中樞，其重要性毋庸置疑，比起DSP等技術(shù)，PLC技術(shù)編程和調(diào)試更為容易，直接采用專(zhuān)用指令就能夠完成對(duì)高端機(jī)器人的控制。因此，PLC在未來(lái)的機(jī)器人設(shè)計(jì)中還有著更廣泛的應(yīng)用前景，需要進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[3] 申少魁.PLC控制系統(tǒng)在機(jī)器人上的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2018（16）：3.

[4] 王增彪，李菊，鄧嘉鳴，等.基于PLC的噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2015（17）：30-31.

收稿日期：2020-03-09

作者簡(jiǎn)介：熊智（1971—），男，四川成都人，碩士，工程師，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

Research on PLC Based Automatic Robot Control System

XIONG Zhi

（College of Physics and Engineering Technology， Chengdu Normal University， Chengdu Sichuan 611130）

Abstract： control system is the core part of modern robot， which determines the automation level of robot just like human brain. In order to realize the effective control of the robot's motion track， speed and acceleration， improve the robot's automation degree， and make the robot adapt to the external working environment better. In this paper PLC technology is selected as the research object， combined with the latest development of intelligent technology， the control system of PLC is studied in depth， hoping to provide some ideas for the application of PLC technology in the automatic robot control system.

Key words： PLC; automatic control; robot; control system