直角坐標機器人控制系統設計與研究

王鑫 許曉安 楊裕才 謝天杰

摘要：簡要闡述了直角坐標機器人控制系統設計原理，詳細分析了直角坐標機器人控制系統的設計要點，以期能夠提高機器人控制系統的運行穩定性，滿足不同的工業生產需求。

關鍵詞：直角坐標機器人;控制系統;軟件設計;硬件設計

0 引言

我國工業生產方式不斷升級，機械化生產逐漸取代了人力生產，同時，科技發展進一步推動了工業機器人的開發。其中，直角坐標機器人憑借其結構簡單、成本低廉以及控制便捷的優勢，在工業生產中得到了廣泛應用。直角坐標機器人能夠穩定完成搬運等工作，提高了工業生產效率。

1 直角坐標機器人控制系統設計原理

直角坐標機器人主要應用于工業生產中，機器人可以自動化控制、重復編程，具有較高的自由度，能夠完成三維空間內的指定運動，在此基礎上完成各類搬運工作。本控制系統主要設計要點：（1）控制計算機，負責調度指揮控制系統。（2）示教盒，負責設定工作軌跡及參數，使用串行通信方式完成人機交互。（3）操作面板，設計多種功能按鍵和指示燈，完成人工控制。（4）硬軟盤儲存，負責儲存工作程序。（5）輸入輸出模擬量，輸入并輸出控制狀態及指令，讓機器人按照程序和命令完成動作。（6）接口，包括打印機、傳感器、網絡、Ethernet等，能夠將信號和數據傳輸至控制系統，輔助功能的實現。（7）其他輔助設備，負責配合控制系統，完成機器人的動作控制。

在工業生產中，直角坐標機器人具有功能多、應用靈活等優勢，可以實現高精度、高速度運行，即使在惡劣的環境中仍然能保持高效工作[1]。

2 直角坐標機器人控制系統的設計與實現

2.1? ? 設計思路與框架

直角坐標機器人設定4個自由度，能夠帶動特定機械手沿著X、Y、Z軸水平移動，Z軸抓手能夠旋轉。機器人4個關節受4個伺服電機驅動，下位機發送脈沖信號控制電機，從而精準控制機器人。啟動機器人后，上位機采集傳感器信號，可以對機器人末端進行控制，夾緊物料。Z軸伺服電機可以帶動齒輪運動，從而帶動抓手向上運動，上升至限位傳感器，X軸以及Y軸電機做直線插補運動，結束后，抓手運動至目標上方，伺服電機反向控制運動，抓手向下抵達目標位置，完成整體目標運動。

2.2? ? 軟件設計

2.2.1? ? 設計流程

硬件作為系統載體，機器人的功能作用主要依賴于軟件系統，軟件設計效果決定了機器人的功能性。直角坐標機器人控制軟件按照軟件設計流程設計。明確軟件功能性，根據直角坐標機器人的動作設計，分析軟件系統功能，形成整體框架。根據分析軟件功能，設計程序流程;分配I/O和寄存器地址，進行程序編寫，并優化程序。編譯轉換編輯區程序、生產執行文件，對程序正確性進行檢驗，按照提示對程序進行修改。機器人在調試環境下進行模擬運行，檢查程序功能，若無法滿足功能要求，返回檢查程序，進一步優化程序。如果滿足調試環境要求，需連接機器人進行調試，觀察機器人動作是否滿足功能要求，直至機器人完全滿足功能要求，完成軟件設計。

本機器人使用PLC控制系統，該系統具備數字運算系統，使用可編程儲存單元進行內部順序控制，通過數字或模擬方式輸入輸出，使機械設備正常運行。PLC開發了界面圖形化功能，便于系統擴展，抗干擾能力強。使用PLC控制系統的直角坐標機器人操作簡單，具有較強的承載能力，運行穩定，同時，投入成本較低，能夠實現精準定位。

2.2.2? ? 程序流程

程序流程圖如圖1所示，為保證達到設計目標，需要提高程序流程的邏輯性，保證功能齊全，降低程序出錯率。

2.2.3? ? 界面設計

界面作為操作機器人的渠道，用于傳達控制指令，監控機器人運行狀態，保證機器人功能的實現。本系統設計界面主要包括初始化界面、功能窗口以及主操作界面，主要完成機器人示教、系統監控、參數設定以及系統初始化等功能。主控界面包括命令按鈕，具有四軸聯動、單軸操作、初始化操作等功能，通過選擇不同選項，機器人按照命令執行，完成相應功能[2]。

在系統界面上可選手動運行模式和自動運行模式。手動運行模式下，可人工調整任意軸的位置及方向，讓機器人實現隨意運動，同時，手動運行可以設定運動軌跡，聯合多軸實現協同運動，設定復雜的機器人運動軌跡。自動運行模式要點擊程序控制卡，發出信號控制伺服電機，對機器人X軸和Y軸進行聯合控制，到達工件指定位置，通過控制氣缸開關，抓取或釋放工件，完成機器人搬運工作。在自動運行模式下，啟動程序可實現機器人自動工作，按程序完成工作內容。

2.2.4? ? 路徑規劃

系統通過計算運動空間對機器人運動進行控制，建立坐標系，通過各軸運動順序及時間對運動進行控制，避免和設備發生碰撞。機器人完成取放料為一套動作流程。機器人搬運動作的順序為X軸、Y軸、Z軸。機器人完成搬運任務后，X軸和Y軸停留在最后動作位置，Z軸回歸原點。所有路線規劃均需要以坐標系原點為核心，在機器人運動單元上，每個軸均要有傳感器，用于調整和設置參考點，也就是原點位置。在應用機器人前，需要設計回零指令，讓機器人能夠回到原點位置?？刂瓶z測到原點信號后，滑塊會自動停止運行，啟動指令，機器人回歸到原點位置，等待下一次工作。

2.3? ? 硬件設計

直角坐標機器人控制系統采用多軸多角度同步運動方案，硬件系統包括觸摸屏、位置控制模塊、速度檢測模塊以及執行機構等[3]。機器人控制系統的控制器性能好，具有較高的穩定性，數據處理速度更快。自動化程序完成伺服電機驅動后，對其他數據進行處理。機器人控制系統采用電源模塊、位置模塊、CPU模塊以及通信模塊等。其中，CPU模塊作為系統核心模塊，對運動模塊進行控制，運動模塊接受CPU發出的命令，生成各種插補軌跡。根據輸出脈沖串數量，控制電機旋轉角度，根據脈沖串輸出，對電機轉速進行控制，編碼器反饋實現閉環控制。直角坐標機器人由PLC發送脈沖指令，驅動伺服電機啟動，帶動機器人運動，完成相應功能。伺服驅動電機包括電源、電機連接器等。電機連接器和伺服電機相連，并連接PLC。編碼連接器接收反饋信號。

3 結語

本文對直角坐標機器人的控制系統進行了設計，提高了機器人運行的穩定性，根據不同生產需要，可通過調整控制程序，滿足工業生產需要。該系統通過現場采集I/O數字量，能夠發出脈沖信號控制電機，對機器人動作進行精準控制，實現精準定位。

[參考文獻]

[1] 李浩，盧軍，孫姝麗.基于視覺引導的直角坐標機器人軌跡規劃研究[J].組合機床與自動化加工技術，2019（12）：65-69.

[2] 馬星輝.多軸直角坐標搬運機器人的通用控制方法研究[J].機電信息，2019（35）：164-165.

[3] 陳彥宇，田東莊，許翠華，等.基于PLC直角坐標式機器人控制系統的設計[J].自動化儀表，2018，39（4）：42-45.

收稿日期：2020-06-24

作者簡介：王鑫（1983—），男，河南信陽人，工程師，從事工業機器人研究和企業管理工作。