基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)研究

楊微

關(guān)鍵詞：PLC控制理論；工業(yè)機(jī)器人；組裝系統(tǒng)；視覺(jué)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人作為我國(guó)智能制造戰(zhàn)略實(shí)施的重要載體，以PLC控制為基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)能夠利用專(zhuān)門(mén)的PLC通信網(wǎng)絡(luò)將不同工業(yè)機(jī)器人全面連接起來(lái)，面對(duì)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)施系統(tǒng)控制，支持?jǐn)?shù)個(gè)工業(yè)機(jī)器人開(kāi)展協(xié)同操作，打造自動(dòng)化產(chǎn)線，進(jìn)一步提高整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。當(dāng)前，我們需要進(jìn)一步深化工業(yè)機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用研究，尤其是強(qiáng)化研究工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人智能化和自動(dòng)化控制水平。

1PLC控制理論分析

PLC控制以可編程邏輯控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，是一項(xiàng)基于數(shù)字計(jì)算支持的電子操作系統(tǒng)，服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。自動(dòng)化控制涵蓋電力供應(yīng)、接口、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、控制命令、處理器等，可以執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)算以及控制命令，借助接口輸出至不同控制板塊輔助機(jī)械生產(chǎn)。PLC控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)模式下的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，具有良好的邏輯性和靈活性，同時(shí)數(shù)據(jù)處理速度更快。

PLC控制屬于機(jī)器人系統(tǒng)中的核心，主要利用掃描形式運(yùn)行各項(xiàng)操作程序，PLC控制具體的運(yùn)行過(guò)程可以進(jìn)一步分解為3個(gè)環(huán)節(jié)，分別是采樣輸入、用戶(hù)執(zhí)行程序以及刷新輸出。

在采樣輸入環(huán)節(jié)，前段部分主要是采樣輸入?yún)^(qū)段，該段PLC控制掃描讀取機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息后，直接將所采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至PLC控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的I／0映像區(qū)內(nèi)，結(jié)束該階段操作后，開(kāi)始下一環(huán)節(jié)流程。

在用戶(hù)執(zhí)行程序區(qū)間內(nèi)，該階段PLC控制能夠聯(lián)系特定順序?qū)τ脩?hù)編制梯形圖進(jìn)行掃描，各個(gè)梯形圖按照從左到右的順序?qū)嵤呙瑁瑢?duì)梯形圖內(nèi)不同觸點(diǎn)組成的控制線路進(jìn)行準(zhǔn)確讀取運(yùn)算，聯(lián)系最終采集讀取識(shí)別結(jié)果對(duì)系統(tǒng)內(nèi)邏輯線圈狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，或?qū)/O區(qū)內(nèi)出線圈存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行刷新，決定是否按照梯形圖相關(guān)命令執(zhí)行具體操作。

在輸出數(shù)據(jù)刷新中，上一操作結(jié)束后，PLC控制能夠自主啟動(dòng)刷新功能。經(jīng)過(guò)處理后，CPU可以對(duì)I／O映像區(qū)內(nèi)實(shí)際操作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并聯(lián)系相關(guān)數(shù)據(jù)信息針對(duì)現(xiàn)有存儲(chǔ)電路實(shí)施全面刷新，最后借助預(yù)先設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)以及運(yùn)行程序?qū)C(jī)器人的各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)軸進(jìn)行合理調(diào)控。

PLC控制根據(jù)整體結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行劃分，可以結(jié)合組成結(jié)構(gòu)分成整體化、模塊化2類(lèi)形態(tài)。整體化結(jié)構(gòu)即整個(gè)機(jī)箱被完整密封，針對(duì)CPU，I/O接口以及PLC電源等實(shí)施集中整合構(gòu)架。該類(lèi)結(jié)構(gòu)模式下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，成本較低，方便組裝，可以直接放到機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)應(yīng)控制柜內(nèi)，但該種PLC控制系統(tǒng)綜合性能一般，通常僅用于對(duì)簡(jiǎn)單程序機(jī)器實(shí)施操控。模塊化PLC控制進(jìn)一步對(duì)PLC控制系統(tǒng)不同部分進(jìn)行分隔制作，不同元件能夠靈活組裝，聯(lián)系機(jī)器人系統(tǒng)配置需求差異選購(gòu)多樣模塊，并合理組裝。模塊化PLC控制擁有較高自由度，可以滿(mǎn)足擬合機(jī)器人系統(tǒng)需求，有助于機(jī)器人未來(lái)不斷創(chuàng)新升級(jí)，該類(lèi)PLC控制普遍擁有復(fù)雜的程序系統(tǒng)以及功能性突出的機(jī)器人。

2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人是廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中自帶運(yùn)行動(dòng)力的多自由度機(jī)器系統(tǒng)，操作人員需要對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行預(yù)先程序設(shè)計(jì)，隨后便可以在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行半自動(dòng)和自動(dòng)化生產(chǎn)操作，在進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)效率基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步降低整體制造成本，能夠在相關(guān)領(lǐng)域中得到全面推廣和應(yīng)用。結(jié)合實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)模式呈現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣化特征，其中某些系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如龍門(mén)機(jī)器以及懸臂機(jī)器裝置等，除此之外，還包括各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)裝置，多軸關(guān)節(jié)組裝的機(jī)器人系統(tǒng)活動(dòng)路線具有較高精準(zhǔn)性。如果結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器實(shí)施細(xì)化分類(lèi)，可以將機(jī)器人分成直角坐標(biāo)、柱面以及球面坐標(biāo)等多種類(lèi)型。結(jié)合工程要求挑選工業(yè)機(jī)器人時(shí)，并非精細(xì)度和復(fù)雜度越高越好，因其不但會(huì)造成性能浪費(fèi)，甚至?xí)黾訖C(jī)器維修、學(xué)習(xí)費(fèi)用，為此應(yīng)該結(jié)合日常實(shí)際生產(chǎn)需求選擇價(jià)格相對(duì)低廉的簡(jiǎn)單機(jī)器人[1]。

3基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)整體架構(gòu)

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，主要功能是針對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行裝配，為此需要機(jī)器人實(shí)施檢測(cè)、抓放以及運(yùn)輸?shù)炔僮?，整個(gè)活動(dòng)十分復(fù)雜。在工業(yè)生產(chǎn)裝配中，工業(yè)機(jī)器人、PLC控制以及視覺(jué)系統(tǒng)之間進(jìn)行順暢的信息傳遞，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人具體動(dòng)作進(jìn)行合理操控，做好生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)。工業(yè)機(jī)器人主要包括軟件系統(tǒng)、控制模塊、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行部件、決策系統(tǒng)、感知裝置等部分，需要不同功能系統(tǒng)同步運(yùn)行才能發(fā)揮出工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行，并能夠按照要求有序開(kāi)展各種活動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人內(nèi)占據(jù)核心地位，能夠?qū)C(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施指揮控制，操控生產(chǎn)過(guò)程。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要結(jié)合工業(yè)機(jī)器人投人生產(chǎn)要求以及生產(chǎn)目標(biāo)實(shí)施合理設(shè)計(jì)，綜合考慮整個(gè)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中需要符合下列要求：支持自由協(xié)調(diào)操控，提高系統(tǒng)處理效率，精準(zhǔn)呈現(xiàn)各種生產(chǎn)參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，優(yōu)化操控模式，整個(gè)工業(yè)機(jī)器人擁有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及實(shí)時(shí)反應(yīng)能力，可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定操作和安全生產(chǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。對(duì)人機(jī)操作界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證上手操作的便捷性，提高各個(gè)基礎(chǔ)硬件結(jié)構(gòu)的緊湊性，優(yōu)化系統(tǒng)布局[2]。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步分成以下幾部分。

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通常情況下，工業(yè)機(jī)器人內(nèi)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括氣壓、液壓以及電氣驅(qū)動(dòng)等。電氣驅(qū)動(dòng)模式主要依賴(lài)電動(dòng)機(jī)發(fā)揮作用，提供基礎(chǔ)力矩和運(yùn)行動(dòng)力，從而對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)施全面驅(qū)動(dòng)，確保工業(yè)機(jī)器人根據(jù)行動(dòng)指令進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中，需要保證系統(tǒng)內(nèi)不同關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)維持較高的運(yùn)行功率，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，達(dá)到運(yùn)行功率最高要求，使工業(yè)機(jī)器人維持一種相對(duì)均勻的運(yùn)行速度，提高反應(yīng)速度，增強(qiáng)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性，形成短暫過(guò)載能力。綜合具體要求分析，為提高系統(tǒng)操作精度，滿(mǎn)足規(guī)范建設(shè)目標(biāo)，需要優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)，適當(dāng)選擇應(yīng)用半閉環(huán)伺服管理系統(tǒng)。聯(lián)系工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)操作要求合理選擇電機(jī)系統(tǒng)。比如，可以選擇最新材料制作的電機(jī)系統(tǒng)，注重在實(shí)踐操作中進(jìn)一步突出材料的磁性?xún)?yōu)勢(shì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)磁極、磁路實(shí)施合理配置，優(yōu)化整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提升電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效能。增加220V電壓能夠保持加速度狀態(tài)運(yùn)行，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，針對(duì)電機(jī)系統(tǒng)合理增設(shè)光學(xué)編碼系統(tǒng)，利用帶差動(dòng)線來(lái)促進(jìn)換向信號(hào)、數(shù)據(jù)參數(shù)的驅(qū)動(dòng)發(fā)展，以滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求[3]。

（2）控制系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中需要使工業(yè)機(jī)器人滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求，大部分條件下，操作系統(tǒng)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人會(huì)按照設(shè)置命令開(kāi)展各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)，嚴(yán)格按照既定路線軌跡運(yùn)行操作，保持固定姿勢(shì)狀態(tài)。通過(guò)深入分析工業(yè)機(jī)器人各個(gè)層面，可以進(jìn)一步控制系統(tǒng)相關(guān)控制模式。其中，PTP控制無(wú)需規(guī)定運(yùn)動(dòng)軌跡，保障目標(biāo)準(zhǔn)確即可，盡管方便實(shí)現(xiàn)，但無(wú)法進(jìn)一步體現(xiàn)出精準(zhǔn)度特征：CP控制對(duì)于運(yùn)行速度和運(yùn)行軌跡有嚴(yán)格要求，在實(shí)踐操作中應(yīng)該促進(jìn)不同關(guān)節(jié)同步運(yùn)動(dòng)，相對(duì)而言，該種控制模式較為復(fù)雜，擁有較高精準(zhǔn)度。為此，工業(yè)機(jī)器人在控制模式設(shè)計(jì)中可以聯(lián)系機(jī)器人實(shí)際生產(chǎn)需求和工作性質(zhì)確定?？刂葡到y(tǒng)可以進(jìn)一步劃分成伺服控制系統(tǒng)以及非伺服控制系統(tǒng)。在實(shí)踐應(yīng)用中，將機(jī)械量當(dāng)成基礎(chǔ)控制量，基于控制質(zhì)量驅(qū)動(dòng)，確保工業(yè)機(jī)器人內(nèi)各種功能模塊可以按照指令要求進(jìn)行生產(chǎn)操作。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中可以分成開(kāi)環(huán)以及閉環(huán)2類(lèi)運(yùn)行模式，而閉環(huán)控制則是利用直流伺服以及交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)控制下可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行誤差，將操作誤差控制在0.001～0.003之間。閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)可以對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，但即便如此，也容易導(dǎo)致系統(tǒng)中振蕩，使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)。為此，人們廣泛應(yīng)用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)操作性能優(yōu)良，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中具有優(yōu)秀表現(xiàn)。

（3）控制器選擇。結(jié)合工業(yè)機(jī)器人相關(guān)PLC控制技術(shù)要求，應(yīng)該選擇應(yīng)用范圍廣、操作性能突出且具有良好可靠性、通用性、抗干擾性的控制器，隨著自動(dòng)化控制技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，各種功能指令效果進(jìn)一步加強(qiáng)。而且，PLC控制對(duì)應(yīng)接線方法十分簡(jiǎn)單，只需將運(yùn)行控制命令輸入其中，便可以靈活操控機(jī)器人，基于協(xié)調(diào)多軸控制，融合先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即可提高整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)操控精密度。PLC控制系統(tǒng)對(duì)于硬件沒(méi)有過(guò)高要求，可以進(jìn)一步脫離復(fù)雜電路板進(jìn)行操作。

3.3PLC控制程序設(shè)計(jì)

結(jié)合PLC控制特征，選擇梯形圖充當(dāng)機(jī)器人PLC控制編程模式，隨后進(jìn)一步將PLC控制分解為初始化程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)化程序3種流程。其中，初始化程序是為預(yù)先設(shè)計(jì)部分程序設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，為后期系統(tǒng)正常操作打好基礎(chǔ)。手動(dòng)程序即對(duì)機(jī)器人末端操作部件位置和基礎(chǔ)活動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，部分具有較高自動(dòng)化水平的工業(yè)機(jī)器人可以直接省略這一環(huán)節(jié)。自動(dòng)化程序也是整個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的核心部分，可以操控機(jī)器人不同關(guān)節(jié)軸活動(dòng)，控制機(jī)器人實(shí)施焊接、碼垛相關(guān)操作。在整個(gè)系統(tǒng)正式運(yùn)行后，率先實(shí)現(xiàn)初始化程序采集各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)掃描伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)，若無(wú)法讀取，則會(huì)自動(dòng)延長(zhǎng)時(shí)間，如果依然無(wú)法順利讀取數(shù)據(jù)，便會(huì)將問(wèn)題反饋到人機(jī)交互系統(tǒng)，進(jìn)而采取人工處理措施。結(jié)束初始化程序后，操控人員自由選擇是否手動(dòng)操作，可以直接設(shè)置系統(tǒng)自動(dòng)化操作程序[4]。

3.4自動(dòng)化人機(jī)界面

人機(jī)界面中的觸摸屏是核心控制單元，借助I/O連接為生產(chǎn)線中各種運(yùn)行項(xiàng)目提供運(yùn)行信號(hào)，如工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人以及氣動(dòng)系統(tǒng)等，從而針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施合理控制，驅(qū)動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)線內(nèi)各個(gè)元件順暢通信，彼此配合執(zhí)行自動(dòng)化操作。自動(dòng)化裝配系統(tǒng)中控制器設(shè)置PLC控制模式，在操作平臺(tái)中設(shè)置基礎(chǔ)控制柜，在試驗(yàn)臺(tái)旁設(shè)置操作面板。組態(tài)設(shè)計(jì)中選擇多線程嵌入式軟件，針對(duì)機(jī)器入和PLC通信組態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，新建工作項(xiàng)目，雙擊產(chǎn)品圖標(biāo)，針對(duì)設(shè)備組態(tài)窗口右擊鼠標(biāo)選擇設(shè)備工具箱，并選中FP系列通信口和通用串口設(shè)備。構(gòu)建用戶(hù)窗口，包括報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、輸入監(jiān)控以及運(yùn)行畫(huà)面等模塊。創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按照自動(dòng)化控制中的傳輸命令創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，借助人機(jī)界面便可以實(shí)現(xiàn)PLC指令控制。構(gòu)建循環(huán)策略，對(duì)腳本程序和運(yùn)行策略進(jìn)行科學(xué)編制設(shè)計(jì)[5]。

3.5視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺(jué)系統(tǒng)主要包含電源、顯示器、相機(jī)、照明單元以及視覺(jué)驅(qū)動(dòng)器等部分，其中電源部分可以為光源、驅(qū)動(dòng)模塊，提供DC 24 V電源。組裝平臺(tái)和相機(jī)之間距離設(shè)置在0.7m左右，選擇設(shè)置CV-H100M型號(hào)相機(jī)，結(jié)合反射照明形式。視覺(jué)系統(tǒng)利用RS232和機(jī)器人實(shí)施順暢通信。機(jī)器人進(jìn)行托盤(pán)走位和托盤(pán)取放，其中包括沒(méi)有目標(biāo)物的空托盤(pán)以及有目標(biāo)物的滿(mǎn)托盤(pán)，機(jī)器人在托盤(pán)走位夾取中實(shí)施放目標(biāo)物操作，并在托盤(pán)內(nèi)夾取目標(biāo)物移動(dòng)至相機(jī)對(duì)準(zhǔn)部位進(jìn)行拍照，借助固定相機(jī)采集目標(biāo)物引腳安裝偏移度和中心位置。在夾具固定孔內(nèi)設(shè)置目標(biāo)物，利用移動(dòng)相機(jī)采集目標(biāo)物安裝孔的偏移角度和孔中心部位，促進(jìn)目標(biāo)物準(zhǔn)確取放。固定夾負(fù)責(zé)取蓋子，并將其轉(zhuǎn)移至裝配好的目標(biāo)物部位，覆蓋蓋子，支持蓋子順利裝配，該種條件下裝配機(jī)器人初步完成任務(wù)[6]。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)提出智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域融合應(yīng)用各種先進(jìn)的智能技術(shù)和信息技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全面轉(zhuǎn)型創(chuàng)新。而工業(yè)機(jī)器人在智能制造中發(fā)揮著重要作用，為此需要針對(duì)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，并以此為基礎(chǔ)，全面優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。