機械臂平面運動控制與分析

楊建華

摘 要：介紹了機械臂在平面內工作的控制原理與過程，對硬件的選擇進行了介紹與分析，對整個控制系統進行了分析與優化設計，并應用了較為先進的模糊智能控制方法解決了不同零件的抓取過程差異。

關鍵詞：機械臂；平面運動；自動化；控制；PLC

中圖分類號：TP242文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.003

隨著我國科學技術的發展，機械臂在產品制造業的應用也越來越廣，機械臂的設計過程中涉及到機械、控制、制造以及視覺等很多技術，由于機械臂的控制系統具有高階和低階多種自由度，因此對機械臂進行自動控制是自動化專業里一個重點和難點問題。現實生產中，利用小型機械臂對工件或產品進行平面內有規律的旋轉、曲線運動以及點坐標移動，是小型機械臂工作的一個重要內容，也在國內外的工業生產中得到了比較廣泛的使用。

1 系統硬件設計

系統硬件設計是機械臂平面運動控制系統的根本，根據機械臂帶動工件完成指定動作的工作特點，控制系統的設計主要由驅動器、步進電機、電磁閥、PLC和觸摸屏等組成。根據輸入點和輸出點的數量，并且需要使用PLC來控制步進電機的工作，輸出的信號為脈沖信號，通過對比市場現有技術模塊，最終決定選擇西門子生產的6ES7216-2AD23-0XB0 CPU 226 DC/DC/DC型 PLC 作為本次機械臂的控制裝置，具有24個輸入和16個晶體管輸出。觸摸屏選用昆侖通態生產的TPC7062TX作為人機交互的設備，有2個串行通信口（COM口），這樣也更加容易地和PLC進行連接以及數據的傳遞。機械臂完成運動的步進電機以及相應的驅動器都選用森創SD-20806和56BYG250DK，SD-20806是細分型高性能步進驅動器，比較適合平面運動機械臂所選用的兩相或四相混合式步進電機，56BYG250DK 是兩相混合式步進電機，額定電流2.4 A，靜轉矩1.72 Nm，步距角為18°。機械臂的轉動結構動力選用了電機配合蝸輪蝸桿減速器的結構，電機生產商為沈陽電機股份有限公司，產品型號Y290M-411B3，功率為0.55 kW。穩壓電源選用 S-120W-DC24 V，為觸摸屏、PLC 和步進驅動器提供直流24 V。

2 控制系統的設計

在自動控制系統里，PLC軟件是整個系統的關鍵，PLC的輸入端連接著不同功能的開關，PLC 輸出端負責控制對象指示信號燈、中間繼電器以及電磁閥等。機械臂所完成的全部動作都由PLC軟件進行控制和實施，整個運動和工作的過程都可以在觸摸屏上實時顯示。PLC 軟件設計采用STEP7-Micro/WIN4.0的編程軟件編寫方框圖程序，根據工作條件和控制要求設計出機械臂進行平面運動的PLC控制程序圖。工作步驟如下：開始后，旋轉電機帶動機械臂到達工件位置，壓緊氣缸將工件壓緊，此時電磁鐵通電、同步帶電機轉動，旋轉電機將工件移至工作位置，加工機械啟動，完成后電磁鐵斷電，旋轉電機將零件移至成品區，壓緊氣缸松開，控制過程結束。

在機械臂平面運動控制系統里，機械臂控制器的結構中含概了旋轉電機、電磁鐵、同步帶電機、壓緊氣缸等零件。其中，機械臂的主要動力來自于旋轉電機，旋轉電機帶動機械臂做圓周轉動，而機械臂控制器會借助于旋轉電機的轉動達到控制手臂位置的目的，且能通過控制同步帶電機達到做出指定動作的要求。在機械臂平面運動自動控制的優化設計過程中，首先分析機械臂在工作位置時傳感器在細節工作時所提供的確切位置信息，機械臂運動和工作的控制模型，依據機械臂抓取零件的預定軌跡對機械臂控制的旋轉電機和壓緊氣缸變量進行修改。機械臂平面工作系統需要在自動模式配合機械加工完成指定的工件任務。自動加工系統模塊主要包括了系統的啟動、暫停、急停以及狀態監控等功能。

由于機械臂帶動的零件為軟質材料，在簡化的一階控制系統中，氣缸的壓力會隨著不同的工件參數而實時的變化，且每個零件掉落的位置不同，因此控制所需的數學模型是變化的，控制系統不能按照某個零件的路徑數學模型進行自動控制，這也需要利用到近期較流行的模糊智能控制的方法，解決微量的數學模型變化的問題，使得整個控制系統的可靠性更強。在機械臂平面運動控制的分析過程中，修正了機械臂初始轉動電機的轉速以及壓緊氣缸的工作時間，應用總動量方程式對機械臂進行驗證和優化，并選取兩個比較關鍵的動量維度進行機械臂的動量控制，建立了分解動量控制對于機械臂平面運動的二維觸手端分解動量控制矩陣，基于系統的硬件改善了機械臂平面加工零件的自動控制方案。

3 結語

機械臂在平面內完成指定工作在小型產品的全自動化生產中應用很廣，在對整個工作過程的控制中仍有許多可改進的地方，在組建機械臂控制的初始模型時依據機械臂在平面內工作的抓取規律對機械臂控制的旋轉電機和壓緊氣缸變量進行修改，同時對機械臂控制的數學模型進行了優化，使得整個工作過程更加合理，但對PLC的應用仍有較大的優化空間。