PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)研究

王秀季

（廣東省華僑職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510520）

1 PLC控制理論

PLC技術(shù)能有效運(yùn)用在工業(yè)環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)數(shù)字運(yùn)算的管理能力。本文就是以工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)發(fā)展的角度，探究通過(guò)PLC技術(shù)的應(yīng)用，保障工業(yè)機(jī)器人能夠有效準(zhǔn)確的執(zhí)行控制命令，確保工業(yè)生產(chǎn)。在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中添加PLC技術(shù)，能夠提升機(jī)器人使用的實(shí)用性與安全性，在維修環(huán)節(jié)中，也能夠降低維修難度，減小能耗。PLC技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制開(kāi)關(guān)、運(yùn)動(dòng)與過(guò)程、模擬量、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)等方面。

2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)分為本體、控制器、軟件等三個(gè)方面。如圖1所示。執(zhí)行系統(tǒng)就是指工業(yè)機(jī)器人依托內(nèi)在的指令，人為的完成作業(yè)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是指通過(guò)各執(zhí)行部件提供的動(dòng)力，完成各種指令運(yùn)動(dòng)；控制系統(tǒng)就是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，要求按照指令工作。工業(yè)機(jī)器人主要由可編程控制器、電子控制回路、電氣、電氣器件、輔助信息等幾方面組成。

圖1

3 PLC控制下工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)部分組成，只有各個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)能夠有效應(yīng)用，才能保障工業(yè)機(jī)器人工作的實(shí)施，完成工業(yè)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)作的關(guān)鍵系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人控制、指揮的工作。在設(shè)計(jì)中通過(guò)結(jié)合機(jī)器人的工作要求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，就控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要滿足以下幾個(gè)方面：能夠自由的進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，以此實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)；對(duì)控制的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的控制；具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和實(shí)時(shí)能力；保障其可靠性、安全性、穩(wěn)定性；人機(jī)界面的設(shè)計(jì)良好，操作簡(jiǎn)單易上手；保障硬件結(jié)構(gòu)之間的緊湊性。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)三種，如表1。

電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要就是通過(guò)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，間接或者直接的驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行。因此工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)必須要滿足最大功率質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)高起工轉(zhuǎn)矩、保障速度的均勻平穩(wěn)，更有迅速的反應(yīng)能力，具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，并具有短暫的過(guò)載能力。通過(guò)上述要求的分析，進(jìn)一步滿足其精密度，在設(shè)計(jì)中，本文采用半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，并且機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)選用如表2所示。在這一系列的電機(jī)中，采用了最新的鉫鐵硼材料，充分利用該材料磁性較大的優(yōu)勢(shì)，搭配合理的磁極、磁路、電機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化電機(jī)的性能。使用220V的電壓，能夠保障高加速度的穩(wěn)定性，電機(jī)安裝光學(xué)編碼器，使用帶差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和換向信號(hào)，24VDC抱閘器，加強(qiáng)環(huán)境等級(jí)防護(hù)。

表1 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式

表2

（2）控制系統(tǒng)主要滿足工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中對(duì)作業(yè)的要求，一般來(lái)說(shuō)工業(yè)機(jī)器人就是在操作器中執(zhí)行指令，并按照軌跡運(yùn)動(dòng)，保持預(yù)定姿勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)機(jī)器人多方面的分析，將控制系統(tǒng)的主要控制方式分為以下幾點(diǎn)：①PTP控制，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡不做規(guī)定，只是保障目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，雖然能夠便于實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)精準(zhǔn)度的體現(xiàn)能力不高。②CP控制，在對(duì)軌跡和速度有著一定的嚴(yán)格要求，并且在實(shí)行的過(guò)程中，要求各個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)工作。這種控制方法相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，精準(zhǔn)度較高。因此，工業(yè)機(jī)器人控制方式的應(yīng)用，要根據(jù)機(jī)器人自身工作性質(zhì)進(jìn)行決定。控制系統(tǒng)主要分為非伺服控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。如圖2、圖3所示。

圖2 非伺服控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)）

圖3 伺服控制系統(tǒng)（開(kāi)關(guān)反饋）

通過(guò)上文的分析，本文選擇閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。伺服系統(tǒng)也叫做隨動(dòng)系統(tǒng)，是自動(dòng)控制的一種。在實(shí)際的應(yīng)用中，以機(jī)械量為控制量，在控制質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械的各個(gè)部分按照指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的應(yīng)用中，最常見(jiàn)的兩種方式就是開(kāi)環(huán)和閉環(huán)，閉環(huán)以直流和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，閉環(huán)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到系統(tǒng)的誤差，并將誤差控制在0.001～0.003上下浮動(dòng)區(qū)間，整個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié)中的誤差都能夠被補(bǔ)償，但是這樣也容易造成系統(tǒng)振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。所以半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)的應(yīng)用被人們廣泛使用，并且具有較高的性能，在實(shí)際的系統(tǒng)要求中表現(xiàn)突出。

（3）控制器選擇。基于PLC技術(shù)的應(yīng)用，能夠具有通用性，具有使用能力較強(qiáng)、使用范圍廣、可靠性較高、抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。并且隨著PLC技術(shù)的逐漸發(fā)展，功能的指令性也逐漸加強(qiáng)。機(jī)器人的控制器的選擇是機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，加強(qiáng)對(duì)控制器的選擇是保障機(jī)器人性能優(yōu)劣的重要一環(huán)。并且PLC接線方式簡(jiǎn)單，只需要輸入運(yùn)動(dòng)控制指令，就能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，在協(xié)調(diào)多軸的控制環(huán)節(jié)中，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠使機(jī)器人的控制更加精密。PLC對(duì)硬件的需求較小，可以脫離復(fù)雜的電路板進(jìn)行工作。

圖4 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)上文中的設(shè)計(jì)，已經(jīng)基本能夠有效解決在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中提出的要求。在PLC編碼器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用分層的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制，將控制器上的每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都落實(shí)到相應(yīng)的反饋控制點(diǎn)上。近些年來(lái)，隨著PLC技術(shù)的逐漸發(fā)展，PLC與網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合，更是加強(qiáng)了其對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的控制能力，也逐漸成為了未來(lái)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)研究在優(yōu)化PLC控制技術(shù)上、提高工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)上有著積極的作用。在此過(guò)程中，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)應(yīng)用這三個(gè)方面對(duì)PLC控制下工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠不斷的促進(jìn)PLC控制的工業(yè)機(jī)器人組裝系統(tǒng)研究能力的提升。