趙 亮

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息學(xué)院， 陜西 寶雞 721013)

機(jī)電一體化是我國(guó)工業(yè)化未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的性能越來(lái)越強(qiáng)，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(xiàng)應(yīng)用靈活、抗干擾能力強(qiáng)、控制能力強(qiáng)的工業(yè)控制技術(shù)，隨著PLC技術(shù)與機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域不斷融合，應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊[2]。因此，本文詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的應(yīng)用方法。

1 工業(yè)機(jī)器人概述

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

2 PLC技術(shù)概述

對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)來(lái)說(shuō)，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(jī)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(shí)現(xiàn)了I/O的遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)之間相互連接以及系統(tǒng)自身的遠(yuǎn)程擴(kuò)展和局部擴(kuò)展，并兼容各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[5]。隨著PLC運(yùn)動(dòng)控制性能的逐漸提升，PLC技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)PLC技術(shù)的研究，對(duì)于提高機(jī)器人操作精度、加強(qiáng)機(jī)器人操作的靈活度有著十分重要的意義。

3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中PLC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

本次研究中所分析的工業(yè)機(jī)器人，其各種動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)源于大臂與小臂的旋轉(zhuǎn)以及升降臂的縱向運(yùn)動(dòng)，有六個(gè)自由度和四個(gè)獨(dú)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(guò)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各伺服器所設(shè)置的驅(qū)動(dòng)模塊完全一致。大臂和小臂呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，升降臂呈縱向運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)形式十分典型，因此本次研究重點(diǎn)基于PLC技術(shù)對(duì)小臂、大臂和升降臂的控制方法進(jìn)行分析。

3.1 控制原理

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

圖1 機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)制

本次研究所分析的工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)方式為兩個(gè)定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)縱軸的直線運(yùn)動(dòng)，由兩臺(tái)伺服器對(duì)呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大臂和小臂分別進(jìn)行控制，由另外一臺(tái)伺服器對(duì)來(lái)對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的升降臂進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的設(shè)備型號(hào)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的設(shè)備型號(hào)

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(guò)電機(jī)中內(nèi)置的光電編碼器來(lái)提升位置精度，這就需要通過(guò)合理的位置參數(shù)來(lái)對(duì)機(jī)器人末端在特定空間內(nèi)的運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

1)升降臂

2)大臂

3)小臂

在于MAM指令中采用同時(shí)控制的情況下，應(yīng)當(dāng)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(jī)器人中，由于各個(gè)伺服器是相互獨(dú)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(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，安裝精度、運(yùn)動(dòng)慣性、溫度、機(jī)械部分的變形和振動(dòng)、電機(jī)精度等因素共同決定了各個(gè)機(jī)械臂在運(yùn)用狀態(tài)下的位置精度。

本次研究所分析的工業(yè)機(jī)器人采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，所使用的控制方案為ControlLogix PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)精度分析后，獲取以下幾點(diǎn)分析結(jié)果。

(2)在電機(jī)非負(fù)載軸端安裝增量式光電碼盤(pán)，能夠使位置控制系統(tǒng)避免受到機(jī)械部件變形和振動(dòng)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(dòng)方案，在提高穩(wěn)定性的同時(shí)，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(jī)器人設(shè)置有磁釋放24VDC抱閘器，電機(jī)采用低慣量轉(zhuǎn)子，除了可以進(jìn)行手動(dòng)控制之外，還能夠借助伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幾乎為零的運(yùn)動(dòng)慣性。

(5)通過(guò)光纖連接驅(qū)動(dòng)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(jì)，材質(zhì)為鋁合金材料，使機(jī)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(jì)方案的缺點(diǎn)在于，由于手臂材質(zhì)的質(zhì)量較小，運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)微小的振動(dòng)，一定程度上會(huì)影響到運(yùn)動(dòng)精度。

(7)通過(guò)齒形帶來(lái)帶動(dòng)小臂，在維持較低運(yùn)動(dòng)間隙的同時(shí)，也能夠維持較好的運(yùn)動(dòng)精度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究基于PLC技術(shù)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，重點(diǎn)分析了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制原理，借助ControlLogix PLC控制系統(tǒng)來(lái)精確地控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。在未來(lái)的研究工作中，還需要重點(diǎn)做好針對(duì)工業(yè)機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活度，也要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變速移動(dòng)。尤其是在無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，實(shí)現(xiàn)伺服器與機(jī)器人之間的遠(yuǎn)程無(wú)線連接，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人設(shè)備與相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用范圍，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)化水平快速提升，邁向更高的層次。