機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PLC直角坐標(biāo)式的應(yīng)用

卜才力

[摘 要：為了設(shè)計(jì)出更高效的直角坐標(biāo)式機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，本文對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)展開(kāi)了詳細(xì)的分析，并綜合設(shè)計(jì)需求，最終選定將PLC作為該機(jī)器人的核心控制器。基于實(shí)際需求，控制系統(tǒng)將具有自動(dòng)操作、故障報(bào)警處理等多種功能。而后，在設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的硬件架構(gòu)的同時(shí)還綜合進(jìn)行軟件架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：直角坐標(biāo)式機(jī)器人；PLC；控制系統(tǒng)]

傳統(tǒng)制造企業(yè)迫切需要走轉(zhuǎn)型升級(jí)道路，如今，柔性生產(chǎn)以及自動(dòng)化儼然成為企業(yè)的發(fā)展方向，在進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，在機(jī)器人的操縱下可以完成數(shù)控機(jī)床下料等工序，進(jìn)而取代人工操作，此時(shí)作業(yè)者不再需要進(jìn)行枯燥的、高危險(xiǎn)的勞作。于機(jī)床下料系統(tǒng)而言，直角坐標(biāo)式機(jī)器人在結(jié)構(gòu)方面更為簡(jiǎn)單，所需成本低廉同時(shí)操作便捷，因此被廣泛運(yùn)用。

1鉆桿搬運(yùn)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在生產(chǎn)螺旋鉆桿時(shí)，必不可缺的一道工序則是葉片焊接，該工序?qū)⒅苯訉?duì)鉆桿質(zhì)量造成影響。從流程上分析，焊接前需要進(jìn)行搬料操作，即將鉆桿搬運(yùn)至焊接工位上；在完成焊接后，需要再一次搬運(yùn)，將鉆桿放置在補(bǔ)焊臺(tái)以便后續(xù)手工焊接的進(jìn)行，而后則需要運(yùn)送至下料箱。實(shí)際上，鉆桿較為沉重，采用人工搬運(yùn)的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。此時(shí)，基于直角坐標(biāo)式的機(jī)器人鉆桿搬運(yùn)系統(tǒng)突顯出魅力，它可以高效地完成各項(xiàng)搬運(yùn)工作。

結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)可以拆分為四大部件，除了基本的直角坐標(biāo)式機(jī)器人以及補(bǔ)焊工裝外，配備有上、下料箱。于機(jī)器人部分而言，采用的是龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，并引入伺服電機(jī)以便提供動(dòng)力。

1.2系統(tǒng)控制要求

具體可總結(jié)為如下四點(diǎn)：①可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的三軸協(xié)調(diào)控制，此時(shí)機(jī)器人可以進(jìn)行抓取、送料等動(dòng)作；②擁有自動(dòng)返回原點(diǎn)的能力，具有連續(xù)工作等操控特性；③在人機(jī)界面的輔助下，可以完成對(duì)產(chǎn)品參數(shù)的設(shè)定；④實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況，具有異常狀況報(bào)警能力。在滿(mǎn)足上述四點(diǎn)要求外，控制系統(tǒng)還應(yīng)為機(jī)器人創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，同時(shí)提升復(fù)位精度。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

上、下位機(jī)以及執(zhí)行結(jié)構(gòu)這三部分共同構(gòu)成硬件系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，下機(jī)位可以理解為是系統(tǒng)的智慧中心，它是核心硬件之一，此處選用了西門(mén)子公司的可編程控制器，具體型號(hào)為S7-1217C，它能夠同時(shí)輸出4組高速脈沖。

上位機(jī)具有兩大功能，其一能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)定，其二可以進(jìn)行可視化監(jiān)控。當(dāng)控制系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)可以將PLC的信息實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)達(dá)給操作人員，以此實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的溝通。隨之配備的人機(jī)界面可以展示PLC對(duì)應(yīng)的I/O狀態(tài)，并提供現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)信息。同時(shí)，操作員也可以通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的參數(shù)設(shè)定工作。所采用的屏幕為可觸摸式，型號(hào)為西門(mén)子的KTP系列。

執(zhí)行與檢測(cè)結(jié)構(gòu)大體可拆分為四大部分，即伺服電機(jī)、傳感器、電池閥以及電磁鐵，當(dāng)然并不局限于此。借助于遠(yuǎn)程I/O模塊，PLC可以對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，亦可實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的連接。而后可以向機(jī)器人或相關(guān)設(shè)備發(fā)出具體的指令，以便執(zhí)行結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，而后還可將實(shí)際作業(yè)信息反饋至PLC。

系統(tǒng)完成搬運(yùn)動(dòng)作需要依靠PLC的控制，具體為：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配備了相應(yīng)的脈沖I/O口，借助此結(jié)構(gòu)PLC可以將脈沖信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)器，而后方可對(duì)伺服電機(jī)加以控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行與正反轉(zhuǎn)等功能。人機(jī)界面充當(dāng)媒介作用，實(shí)現(xiàn)操作者與設(shè)備的溝通。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

除了硬件方面外，軟件設(shè)計(jì)工作也至關(guān)重要，它可以將設(shè)備各類(lèi)功能聯(lián)動(dòng)起來(lái)，形成高效、穩(wěn)定的運(yùn)行機(jī)制。在此系統(tǒng)的控制模式中，可以分為自動(dòng)與手動(dòng)兩類(lèi)。

3.1核心功能設(shè)計(jì)

3.1.1生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定

此環(huán)節(jié)主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容有工件的規(guī)格，具體體現(xiàn)在直徑與長(zhǎng)度等方面。依托于觸摸屏，PLC可以獲取操作者的設(shè)定參數(shù)，而后呈遞給公用計(jì)算地址。

3.1.2運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

可分為如下兩部分：①工件空間位置計(jì)算：上、下料箱內(nèi)存在一定數(shù)量的鉆桿，此環(huán)節(jié)則是計(jì)算出其在機(jī)器人坐標(biāo)系的具體位置信息。整體思路為：料箱內(nèi)的鉆桿可以分為若干層，每層數(shù)量均相同，在不考慮鉆桿長(zhǎng)度的前提下，通過(guò)二維坐標(biāo)的方式便可確定各鉆桿所對(duì)應(yīng)的位置；②運(yùn)動(dòng)控制：通過(guò)此環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，可以確保機(jī)器人不與現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)設(shè)備出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，它可以對(duì)各軸展開(kāi)順序規(guī)劃，并設(shè)定手爪動(dòng)作時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)：機(jī)器人進(jìn)行一個(gè)搬運(yùn)周期可以分為兩個(gè)步驟，即取料與放料。在具體的執(zhí)行過(guò)程中，任何一軸的運(yùn)動(dòng)都遵循X、Y、Z軸原則。當(dāng)機(jī)器人完成任務(wù)后，此時(shí)Z軸將重新回到原點(diǎn)，其余二軸處于最后一次動(dòng)作結(jié)束時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置。

3.2人機(jī)界面程序

通過(guò)人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)模式的切換。觸摸屏能夠展示實(shí)時(shí)的運(yùn)行模式，參數(shù)設(shè)定、故障信息得能等多種內(nèi)容，具體可分為如下五點(diǎn)：①系統(tǒng)狀態(tài)：呈現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作狀態(tài)；②生產(chǎn)設(shè)定：呈現(xiàn)產(chǎn)品的長(zhǎng)度、數(shù)量等信息；③機(jī)器人狀態(tài)：呈現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)；④上下料箱工件信息：呈現(xiàn)上、下料箱實(shí)時(shí)的工件數(shù)量；⑤機(jī)器人手動(dòng)控制：呈現(xiàn)機(jī)器人各軸的手動(dòng)控制信息；⑥報(bào)警處理：呈現(xiàn)設(shè)備故障信息。

4結(jié)語(yǔ)

此處所設(shè)計(jì)的直角坐標(biāo)式機(jī)器人控制系統(tǒng)具有三大突出特點(diǎn)：其一，擁有自動(dòng)與手動(dòng)兩種模式，可進(jìn)行靈活切換，系統(tǒng)對(duì)空間的耗費(fèi)程度小，研發(fā)周期短，運(yùn)行穩(wěn)定。其二，一方面可以實(shí)現(xiàn)I/O量的實(shí)時(shí)獲取與調(diào)控，另一方面可以通過(guò)高速脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，并帶來(lái)高精度復(fù)位。其三，精簡(jiǎn)的人機(jī)界面可以為操作者提供實(shí)時(shí)的機(jī)器人以及各類(lèi)設(shè)備信息，操作者也可以展開(kāi)相應(yīng)參數(shù)設(shè)定。總體而言，基于PLC控制器而研發(fā)的直角坐標(biāo)式機(jī)器人具有高度靈活性與適應(yīng)性的特點(diǎn)，未來(lái)將擁有廣闊的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳彥宇，田東莊，許翠華，等.基于PLC直角坐標(biāo)式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2018，39（4）：42-45.

[2]劉軍.開(kāi)放式直角坐標(biāo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2010.