李富國(guó),李 杰

(長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)諸多，比如：耐用性久、精度高、工作范圍廣、抗干擾性強(qiáng)等等[1]。近年來(lái)，隨著PLC技術(shù)的不斷進(jìn)步，將PLC技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的情況已非常普遍。與傳統(tǒng)的硬件系統(tǒng)接線線路相比，PLC控制技術(shù)更加方便快捷，并且工業(yè)機(jī)器人控制過(guò)程中所強(qiáng)調(diào)的柔性以及拓展性正可以通過(guò)基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)完美的體現(xiàn)出來(lái)，這也大大提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全性及可靠性。因此，基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中一定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用[2]。

1 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用

1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史

1954年，美國(guó)天才發(fā)明家喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程工業(yè)機(jī)器人，隨后在1959年他又與另一位美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格共同制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。60年代，伴隨著歐美等西方國(guó)家工業(yè)化浪潮的進(jìn)一步推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)突飛猛進(jìn)，此時(shí)的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用于裝配、噴涂等相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中。20世紀(jì)70年代至80年代，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平不斷進(jìn)步，也使得工業(yè)機(jī)器人得到了迅速發(fā)展，此時(shí)的汽車、電子等行業(yè)隨處可見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人的影子，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)普及到各工廠生產(chǎn)線上。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)迎來(lái)了它的繁榮期，歐美等國(guó)家已將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)視為其工業(yè)生產(chǎn)中最重要的一部分，正是憑借工業(yè)機(jī)器人帶來(lái)的先進(jìn)生產(chǎn)力，使得歐美等國(guó)家在工業(yè)生產(chǎn)制造上的水平遙遙領(lǐng)先于其它國(guó)家[3]。目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展更加面向未來(lái)，以編程控制器控制工業(yè)機(jī)器人已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)之一。其研發(fā)重點(diǎn)包括：低成本、高速化、小型輕量化、網(wǎng)絡(luò)化、高精度化等等。

1.2 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)特點(diǎn)明顯[4]，比如：操作簡(jiǎn)單、控制精確、高度智能等等，而這些特點(diǎn)并不能完全滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需要，針對(duì)這種現(xiàn)狀，未來(lái)其研究方向應(yīng)主要從以下幾方面進(jìn)行：第一個(gè)方面，從實(shí)際工況入手，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，其各軸運(yùn)動(dòng)軌跡、速度等等都可以通過(guò)PLC技術(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及模擬分析，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)器人能按照不同的生產(chǎn)要求完成相應(yīng)的操作，確保其通用性和靈活性；第二個(gè)方面，從PLC技術(shù)本身入手[5]，通過(guò)提高其編程、運(yùn)算、控制、處理速度、人機(jī)接口等方面的能力，使其能更加靈活高效的控制機(jī)器人，從而更好的適用于各種復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，提升整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率；第三個(gè)方面，從網(wǎng)絡(luò)通信功能入手[6]，良好的網(wǎng)絡(luò)通信功能是實(shí)現(xiàn)PLC與工業(yè)機(jī)器人高效率通訊的基礎(chǔ)，因此，要進(jìn)一步加強(qiáng)PLC與工業(yè)機(jī)器人之間的通信功能，提高信息的傳輸效率，形成通訊范圍更廣，更加安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。

1.3 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著工業(yè)機(jī)器人在各自動(dòng)化生產(chǎn)線上的普及，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展迅猛。實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人在解放人類生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品加工質(zhì)量中起著極其重要的作用。而基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的助推器。如今，基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究也取得了很多突破，通過(guò)PLC控制的機(jī)器人已可以完成許多高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的操作。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)可以在危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境中按指定程序執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而順利完成工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。同時(shí)，基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)已經(jīng)面向各行各業(yè)，尤其在汽車生產(chǎn)線、物流行業(yè)上應(yīng)用最多，生產(chǎn)運(yùn)輸效率要比同等生產(chǎn)設(shè)備高出許多。

2 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多自由度工業(yè)機(jī)器人，各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是相互獨(dú)立的，且分別由伺服或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)來(lái)的命令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速。文章所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)以上位機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，主要由上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及機(jī)器人本體構(gòu)成。并且將控制系統(tǒng)分為3個(gè)模塊,分別為：運(yùn)動(dòng)控制模塊、操作模塊以及機(jī)器人本體模塊。操作模塊即上位機(jī)，其主要功能是顯示人機(jī)界面，同時(shí)根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程正逆解的計(jì)算結(jié)果發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令；運(yùn)動(dòng)控制模塊即運(yùn)動(dòng)控制卡，其主要功能是根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的指令傳送脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)接收機(jī)器人、伺服驅(qū)動(dòng)器反饋回來(lái)的正負(fù)限位以及伺服準(zhǔn)備就緒等信號(hào)；機(jī)器人本體模塊即機(jī)器人個(gè)體本身也就是被控制對(duì)象，不同型號(hào)的機(jī)器人具有不同的自由度，上位機(jī)正是通過(guò)控制各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)控制機(jī)器人完成工作任務(wù)。機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件部分主要由機(jī)器人本體、伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成，文章以六軸工業(yè)機(jī)器人為模型，硬件部分設(shè)計(jì)如下:其中機(jī)器人本體由伺服電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)，這里以伺服電機(jī)為例)正負(fù)限位、剛體外殼、減速器等組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用松下MADHT1505E伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有多種工作模式，比如速度工作模式、位置工作模式、轉(zhuǎn)矩工作模式等，本設(shè)計(jì)采用位置控制模式。運(yùn)動(dòng)控制卡采用江蘇匯博機(jī)器人公司的基于PCI總線的MAC-3002SSP4四軸運(yùn)動(dòng)控制卡以及基于PCI總線的MAC-3002SSP2兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡，兩塊運(yùn)動(dòng)控制卡均具有定位控制、連續(xù)運(yùn)動(dòng)速度控制、零位尋找、手動(dòng)編碼器跟隨四種工作模式。具體工作過(guò)程如下：首先向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖(方向)信號(hào)，此過(guò)程通過(guò)OUT、DIR引腳完成，接著通過(guò)SVON引腳發(fā)送伺服準(zhǔn)備信號(hào)，再通過(guò)SRDY引腳接收伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的準(zhǔn)備就緒信號(hào)。以其中任意一軸為例，當(dāng)該軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡首先通過(guò)SVON引腳發(fā)送伺服準(zhǔn)備信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，并由SRDY引腳接收驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備就緒的信號(hào)，之后通過(guò)OUT以及DIR引腳發(fā)送脈沖(方向)信號(hào)，使該軸按要求運(yùn)動(dòng)到指定位置，而當(dāng)該軸運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡會(huì)接收到機(jī)器人傳來(lái)的LIM信號(hào)而自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于Step7-200平臺(tái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件，該軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能模塊有：程序管理模塊、機(jī)器人操作模塊、軌跡規(guī)劃模塊、示教再現(xiàn)模塊以及系統(tǒng)設(shè)置模塊。程序管理模塊類似于文本編輯器，可以實(shí)現(xiàn)程序的新建、打開(kāi)、關(guān)閉、保存等功能。機(jī)器人操作模塊可以實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)、六軸聯(lián)動(dòng)、狀態(tài)查詢以及返回原點(diǎn)等功能。其中單軸運(yùn)動(dòng)是根據(jù)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，六軸聯(lián)動(dòng)是指機(jī)器人各軸根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果運(yùn)動(dòng)到指定位置。軌跡規(guī)劃模塊即通過(guò)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分解，進(jìn)而完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。示教再現(xiàn)模塊是記錄機(jī)器人所運(yùn)動(dòng)到的各個(gè)位置并實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置模塊則是則是完成機(jī)器人本體參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)操作權(quán)限。軟件系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

5 仿真測(cè)試

本設(shè)計(jì)通過(guò)模擬機(jī)器人把工件從A工作臺(tái)搬運(yùn)到B工作臺(tái)的過(guò)程，來(lái)驗(yàn)證整套基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性。機(jī)器人搬運(yùn)流程圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人搬運(yùn)流程圖

機(jī)器人搬運(yùn)工件的部分PLC梯形圖程序如圖5～9所示。仿真測(cè)試界面如圖10所示。

圖5 初始化

圖6 夾緊操作

圖7 上行置位

圖8 右行復(fù)位

圖9 停止操作

圖10 仿真測(cè)試界面

仿真測(cè)試結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確定位，并到達(dá)已知的位置坐標(biāo)進(jìn)行作業(yè)，可以完成實(shí)際工程中一些基本實(shí)用的操作。且整個(gè)控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能良好，能滿足工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，將PLC技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，且性價(jià)比也極高，為工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)極大的便利，同時(shí)，隨著我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人勢(shì)必會(huì)成為轉(zhuǎn)型升級(jí)中更加重要的一環(huán)。因此文章所設(shè)計(jì)的基于PLC的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)定會(huì)為未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供有力參考。