趙 亮

(寶雞職業(yè)技術(shù)學院 機電信息學院， 陜西 寶雞 721013)

機電一體化是我國工業(yè)化未來發(fā)展的必然趨勢，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的性能越來越強，使工業(yè)生產(chǎn)率得到了較大幅度的提升[1]。PLC技術(shù)是一項應(yīng)用靈活、抗干擾能力強、控制能力強的工業(yè)控制技術(shù)，隨著PLC技術(shù)與機械、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域不斷融合，應(yīng)用前景也越來越廣闊[2]。因此，本文詳細介紹了工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用方法。

1 工業(yè)機器人概述

工業(yè)機器人指的是，借助自動控制和重復編程，在制定過程中完成某些操作的一體化機電設(shè)備。美國Unimation公司于1962年首次推出一臺名為“NUIMATE”的工業(yè)機器人，并投入于汽車生產(chǎn)[3]。隨著工業(yè)機器人的完善與改進，相關(guān)技術(shù)的不斷進步，相關(guān)產(chǎn)品的自動化、智能化水平不斷提升。作為一種技術(shù)含量較高的機電一體化產(chǎn)品，工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線自動化水平的大幅提升，同時也能夠克服許多復雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，在改善工業(yè)品質(zhì)量的同時，也能夠大幅節(jié)省人力資源，并提高經(jīng)濟效益。

2 PLC技術(shù)概述

對于現(xiàn)代工業(yè)來說，PLC已經(jīng)占據(jù)了不可替代的重要地位，它與伺服控制和工業(yè)機器人一起成為了現(xiàn)代工作的重要組成部分，隨著CPU處理速度的提升以及PLC技術(shù)的快速發(fā)展，智能型PLC和分散型PLC已經(jīng)實現(xiàn)了I/O的遠程分散就地安裝[4]。PLC軟硬件正朝著模塊化的方向發(fā)展，并且廣泛采用了圖形顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)之間相互連接以及系統(tǒng)自身的遠程擴展和局部擴展，并兼容各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[5]。隨著PLC運動控制性能的逐漸提升，PLC技術(shù)在工業(yè)機器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，加強對PLC技術(shù)的研究，對于提高機器人操作精度、加強機器人操作的靈活度有著十分重要的意義。

3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的實際應(yīng)用

本次研究中所分析的工業(yè)機器人，其各種動作的實現(xiàn)源于大臂與小臂的旋轉(zhuǎn)以及升降臂的縱向運動，有六個自由度和四個獨立的關(guān)節(jié)。由于大臂、小臂與手爪、手腕有著相似的姿位，因此決定通過伺服電機進行驅(qū)動，各伺服器所設(shè)置的驅(qū)動模塊完全一致。大臂和小臂呈旋轉(zhuǎn)運動，升降臂呈縱向運動。由于運動形式十分典型，因此本次研究重點基于PLC技術(shù)對小臂、大臂和升降臂的控制方法進行分析。

3.1 控制原理

本次研究所分析的工業(yè)機器人如圖1所示，該裝置內(nèi)包含3條傳動鏈，每一個關(guān)節(jié)都由特定的傳動鏈進行驅(qū)動。升降臂在電機1的作用下作垂直運動，電機1安裝在底座，傳動比為1∶80，在減速器1的作用下，電機的輸出傳遞至絲桿，升降臂在螺桿傳動機構(gòu)的作用下作上、下運動；大臂在關(guān)節(jié)的作用下作旋轉(zhuǎn)運動，升降臂的上端安裝有傳動比為1∶80的電機2，在減速器2的作用下，電機的輸出驅(qū)使大臂作旋轉(zhuǎn)運動；小臂在關(guān)節(jié)的作用下作旋轉(zhuǎn)運動，大臂左端安裝有傳動比為1∶80的電機，在減速器3 的作用下，電機的輸出會驅(qū)動齒形帶，進而驅(qū)使小臂作旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 機器人傳動機制

本次研究所分析的工業(yè)機器人，其運動方式為兩個定軸的轉(zhuǎn)動和一個縱軸的直線運動，由兩臺伺服器對呈旋轉(zhuǎn)運動的大臂和小臂分別進行控制，由另外一臺伺服器對來對垂直運動的升降臂進行控制。驅(qū)動器和電機的設(shè)備型號如表1所示。

表1 驅(qū)動器和電機的設(shè)備型號

3.2 位置參數(shù)設(shè)置

本次研究所采用的伺服控制方案為半閉環(huán)控制，通過電機中內(nèi)置的光電編碼器來提升位置精度，這就需要通過合理的位置參數(shù)來對機器人末端在特定空間內(nèi)的運行進行精準的控制。

1)升降臂

2)大臂

3)小臂

在于MAM指令中采用同時控制的情況下，應(yīng)當根據(jù)各軸速度成比例地設(shè)置速度參數(shù)，即n1∶n2∶n3=v1∶v2∶v3。另外需要注意的是，在本次研究所分析的工作機器人中，由于各個伺服器是相互獨立的，因此需要具有一致的增益，才能夠?qū)崿F(xiàn)各軸之間的協(xié)調(diào)控制。

3.3 精度分析

對于工業(yè)機器人來說，安裝精度、運動慣性、溫度、機械部分的變形和振動、電機精度等因素共同決定了各個機械臂在運用狀態(tài)下的位置精度。

本次研究所分析的工業(yè)機器人采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行控制，所使用的控制方案為ControlLogix PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過精度分析后，獲取以下幾點分析結(jié)果。

(2)在電機非負載軸端安裝增量式光電碼盤，能夠使位置控制系統(tǒng)避免受到機械部件變形和振動的影響。

(3)為了抑制電路溫度漂移，本次研究引入全數(shù)字式伺服驅(qū)動方案，在提高穩(wěn)定性的同時，也能夠避免相關(guān)參數(shù)受溫度影響。

(4)本次研究所分析的工業(yè)機器人設(shè)置有磁釋放24VDC抱閘器，電機采用低慣量轉(zhuǎn)子，除了可以進行手動控制之外，還能夠借助伺服電機實現(xiàn)自動控制，進而實現(xiàn)幾乎為零的運動慣性。

(5)通過光纖連接驅(qū)動器和控制系統(tǒng)，保密性好，在不受電磁干擾的基礎(chǔ)上，還能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

(6)大臂與升降臂均采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計，材質(zhì)為鋁合金材料，使機器人在受控性良好的基礎(chǔ)上還具有一定的剛度。然而這種設(shè)計方案的缺點在于，由于手臂材質(zhì)的質(zhì)量較小，運行時會出現(xiàn)微小的振動，一定程度上會影響到運動精度。

(7)通過齒形帶來帶動小臂，在維持較低運動間隙的同時，也能夠維持較好的運動精度。

4 結(jié) 語

本次研究基于PLC技術(shù)，對工業(yè)機器人的控制方案進行了詳細的介紹，重點分析了機器人的運動控制原理，借助ControlLogix PLC控制系統(tǒng)來精確地控制機器人的運行狀態(tài)。在未來的研究工作中，還需要重點做好針對工業(yè)機器人軌跡控制、速度控制以及網(wǎng)絡(luò)控制等方面的工作，既要提升機器人運動的靈活度，也要實現(xiàn)機器人的變速移動。尤其是在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，實現(xiàn)伺服器與機器人之間的遠程無線連接，能夠進一步擴大工業(yè)機器人設(shè)備與相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用范圍，推動我國工業(yè)化水平快速提升，邁向更高的層次。