基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董守峰，張忠松

（吉林建筑大學(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，吉林 長(zhǎng)春 130118）

目前，智能改造已經(jīng)在大多數(shù)工廠得到了實(shí)現(xiàn)，因此，PLC技術(shù)也廣泛的被應(yīng)用到了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)中。然而，想要從生產(chǎn)精度和生產(chǎn)質(zhì)量方面對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的提升，就需要控制好工業(yè)機(jī)器人，對(duì)控制流程和控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的優(yōu)化。要想采用PLC技術(shù)來優(yōu)化控制環(huán)節(jié)，首先需要做好對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的了解，并通過對(duì)PLC控制技術(shù)的結(jié)合，來分析和討論所面臨的各種問題，以此為基礎(chǔ)，對(duì)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的提升。

1 基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人介紹

1.1 工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人主要由大臂、小臂、升降臂、底座、絲杠等構(gòu)成，采用的是電氣傳動(dòng)，升降臂沿著Z軸實(shí)現(xiàn)上下直線運(yùn)動(dòng)，大臂、小臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)手腕和手抓實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，共有四個(gè)相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、六個(gè)自由度。減速器連接電機(jī)輸出軸與機(jī)器人機(jī)械手的關(guān)節(jié)，將電機(jī)的輸出力矩傳遞給大小臂關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)其各種動(dòng)作。

1.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)概述

目前，工業(yè)領(lǐng)域在向著自動(dòng)化發(fā)展的同時(shí)，對(duì)PLC控制技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人以及CAD等技術(shù)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，從思路和理論方面為工業(yè)領(lǐng)域提供了更多優(yōu)化和提升自動(dòng)技術(shù)的支持，其作用是不容忽視的。同時(shí)，隨著各種科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各學(xué)者深入的研究了工業(yè)領(lǐng)域所應(yīng)用的PLC技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，也以此為基礎(chǔ)，有效的擴(kuò)展了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，工業(yè)領(lǐng)域也采用了更加全面和完善的標(biāo)準(zhǔn)來衡量自動(dòng)化技術(shù)。在這種情況下，應(yīng)用PLC技術(shù)能夠?yàn)樯a(chǎn)任務(wù)的完成提供質(zhì)量和數(shù)量的保證，并有效的提升一體化技術(shù)在機(jī)電領(lǐng)域的發(fā)展[1]。

1.3 PLC工作原理

在對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制的過程中，PLC控制系統(tǒng)發(fā)揮出了極大的優(yōu)勢(shì)，在具有存儲(chǔ)功能的設(shè)備中，能夠?qū)ν瓿删帉懙某绦虼a進(jìn)行存儲(chǔ)，然后，由程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)算，中央處理器以集中的形式對(duì)其進(jìn)行處理后，程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，由機(jī)械設(shè)備中的軟件對(duì)其進(jìn)行控制，機(jī)械設(shè)備在接收到軟件發(fā)出的指令后，能夠按照規(guī)定的流程進(jìn)行操作和加工。PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的自動(dòng)控制功能，能夠?qū)θ斯げ僮鬟M(jìn)行提點(diǎn)，從控制和操作方面，對(duì)人力資源進(jìn)行了節(jié)省，并且，能夠?qū)Ω嗟漠a(chǎn)品進(jìn)行加工，有著較強(qiáng)的適用性，可以使生產(chǎn)更加精細(xì)和高效，實(shí)現(xiàn)高難度的生產(chǎn)，工業(yè)化生產(chǎn)階段對(duì)它的應(yīng)用，能夠給控制工作帶來極大的優(yōu)勢(shì)[2]。

圖1 工業(yè)機(jī)器人工作原理

2 基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人優(yōu)勢(shì)

在控制環(huán)節(jié)所應(yīng)用的PLC技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如運(yùn)用便捷，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中通過對(duì)它的應(yīng)用，能夠從質(zhì)量、抗干擾能力等方面，對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能進(jìn)行提升。通過對(duì)此類技術(shù)的實(shí)踐得知，此類技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)通訊方面具有更加強(qiáng)大的指令，工業(yè)領(lǐng)域采用此類指令能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)協(xié)調(diào)件等工業(yè)機(jī)器人部件的控制，尤其是PLC技術(shù)能夠從定位精度和運(yùn)動(dòng)效率方面，提升對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制。此外，在控制環(huán)節(jié)通過對(duì)PLC技術(shù)的應(yīng)用，能夠從靈活性、擴(kuò)展性以及操作性等方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的提升，能夠使工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化工作得以實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用PLC技術(shù)進(jìn)行控制，能夠更加便于使用工業(yè)機(jī)器人，并且更易實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人功能的編寫，所以，工業(yè)領(lǐng)域在研制工業(yè)機(jī)器人時(shí)，通過對(duì)PLC技術(shù)的應(yīng)用，其開發(fā)周期能夠得到大幅縮減。由于其有著頑強(qiáng)的工作能力，所以工業(yè)領(lǐng)域采用PLC技術(shù)來控制機(jī)器人，相比其他技術(shù)來說，其工作效率、抗干擾能力以及可靠性更強(qiáng)。此外，由于其編碼控制器的核心技術(shù)是PLC技術(shù)，借助于其內(nèi)部系統(tǒng)的代碼加密功能，此類編碼控制器能夠很好的保護(hù)代碼，因此，工業(yè)機(jī)器人具有良好的抗干擾能力。所以，工業(yè)機(jī)器人在PLC技術(shù)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作[3]。

3 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的有效控制

PLC編碼控制器屬于控制器中最新的一種類型，其在工業(yè)領(lǐng)域中的現(xiàn)代化發(fā)展基礎(chǔ)就是控制技術(shù)和運(yùn)動(dòng)部分，目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在總控制系統(tǒng)中通過對(duì)PLC編碼控制器的使用，使其具備了各種不同的輔助功能，微處理器是其核心控制部分，將相關(guān)軟件，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及仿真技術(shù)等作為了系統(tǒng)的輔助應(yīng)用。工業(yè)領(lǐng)域通過PLC技術(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，在實(shí)際控制階段，工業(yè)領(lǐng)域中的PLC編碼控制器，能夠根據(jù)加工數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器人的實(shí)際加工操作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以此來及時(shí)、具有針對(duì)性的對(duì)各種出現(xiàn)的題進(jìn)行處理解決。

工業(yè)領(lǐng)域在機(jī)器人系統(tǒng)中對(duì)PLC控制技術(shù)的應(yīng)用，使加工技術(shù)具有了機(jī)電一體化的特征，被廣泛的應(yīng)用到了各個(gè)社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域中，大幅度的提升了產(chǎn)業(yè)效率。在整個(gè)系統(tǒng)中，PLC編碼控制器在處理部分中具有核心地位，其能夠通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，使其保持正常運(yùn)行，并且能夠結(jié)合實(shí)際情況對(duì)相應(yīng)的指令進(jìn)行具體的發(fā)布。相關(guān)指令信息在經(jīng)過工作人員的輸入后，能夠科學(xué)有效的控制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)[4]。

3.2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖2 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成

工業(yè)領(lǐng)域以往所采用的機(jī)器人有著較高的自由度，各關(guān)節(jié)之間無法進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，并且其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含了伺服機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器在接收到來自運(yùn)動(dòng)控制卡的命令后，能夠根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡作為了控制系統(tǒng)的核心，其本體涉及到了上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡以及伺服電機(jī)等。并且按照操作、運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人本體三個(gè)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。操作模塊指的就是上位機(jī)，在機(jī)器人界面中主要能夠起到顯示的功能，同時(shí)能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將機(jī)器人計(jì)算所得的正逆解以運(yùn)動(dòng)指令的形式進(jìn)行發(fā)送；能夠控制運(yùn)動(dòng)的模塊也稱之為運(yùn)動(dòng)控制卡，其主要能夠?qū)⑺邮盏降膩碜陨衔粰C(jī)的指令，以脈沖信號(hào)的形式發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人以及伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)于正負(fù)限位以及伺服完成準(zhǔn)備等信號(hào)反饋的接收；主要是為了對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行控制，由于機(jī)器人型號(hào)不同其自由度也有所不同，因此，上位機(jī)能夠通過對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，使其能夠完成相應(yīng)的工作任務(wù)[5]。

4 PLC控制未來在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的發(fā)展

4.1 對(duì)統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)目前的情況來說，工業(yè)領(lǐng)域?qū)删幊炭刂破髟跈C(jī)器人系統(tǒng)中的基礎(chǔ)應(yīng)用，能夠使其智能化特性得到極大的提升，針對(duì)此類特點(diǎn)來說，未來在進(jìn)行研究時(shí)，需要做好對(duì)以下內(nèi)容的遵循：首先，工業(yè)領(lǐng)域在操作機(jī)器人系統(tǒng)的過程中，通過對(duì)PLC編碼控制器的應(yīng)用，能夠使機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)以及模擬實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確，給機(jī)器人系統(tǒng)帶來優(yōu)化的操作，使機(jī)器人能夠具有更強(qiáng)的可操作性，為工作階段的機(jī)器人提供準(zhǔn)確性的保證；其次，控制技術(shù)通過可編程控制器能夠更加完善，使工業(yè)發(fā)展能夠具有自動(dòng)化的特征，通過對(duì)可編程控制器的加強(qiáng)，能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行更加完善的控制，機(jī)器人在控制下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜操作的完成。在機(jī)器人系統(tǒng)中通過對(duì)可編程控制器的應(yīng)用，能夠提升3~5倍的控制效果；最后，工業(yè)領(lǐng)域在控制機(jī)器人系統(tǒng)的過程中，可在機(jī)器人系統(tǒng)中，通過PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能的加強(qiáng)，使不同的機(jī)器人之間能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接，通過可編程控制器能夠使機(jī)器人系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的統(tǒng)一化標(biāo)準(zhǔn)得以實(shí)現(xiàn)[6]。

4.2 對(duì)機(jī)電一體化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

目前，工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，將機(jī)器人PLC控制以及CAD等技術(shù)作為了重點(diǎn)，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展和完善此類技術(shù)，能夠?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的現(xiàn)代化科學(xué)發(fā)展提供相應(yīng)的參考依據(jù)，有著十分重要的促進(jìn)作用。由于近幾年不斷發(fā)展和推進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，工業(yè)領(lǐng)域采用PLC技術(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了實(shí)際應(yīng)用。在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的過程中，通過PLC技術(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，能夠使其作用得到極大的發(fā)揮，并且隨著工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)ζ涞牟粩鄳?yīng)用，自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展情況，已經(jīng)成為了衡量其應(yīng)用效果和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)領(lǐng)域采用PLC技術(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，都是多項(xiàng)任務(wù)得到自動(dòng)化的完成，使工業(yè)生產(chǎn)的推進(jìn)能夠更加順利。此外，工業(yè)領(lǐng)域采用PLC對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的控制，能夠順利的完成工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，使機(jī)電一體化的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)[7，8]。

5 結(jié)語

隨著PCL技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，以往在工業(yè)領(lǐng)域所采用的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)人力、物力和財(cái)力有著大量的需求，無法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行完整、可靠的自動(dòng)控制，因此，本文以PCL技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)器人的自動(dòng)化控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)可靠、穩(wěn)定的PCL技術(shù)的應(yīng)用，為機(jī)器人提供了更優(yōu)的自動(dòng)化控制，使整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了提升和發(fā)展，使機(jī)器人的工作變得更高效，并且為人們帶來了更高品質(zhì)的生產(chǎn)生活。