PLC在六关节工业机器人控制中的设计应用初探

郭淼　刘玉潇　康颖

摘 要：PLC在六关节工业机器人控制中具有很好的价值。基于此，本文阐述了六关节工业机器人结构、电机选择和系统模型控制等工业机器人结构和控制方法，同时，提出了PLC在六关节工业机器人控制中的设计应用，主要包括了工业机器人的电路驱动设计、参数选择、系统的硬件设计等，通过论述以上设计应用方法，来为设计人员提供一些参考。

关键词：PLC；六关节工业机器人控制；以太网

引言：工业机器人作为工业发展的趋势，为各个工业生产领域做出了非常大的贡献，不仅提高了劳动生产力，还提高了工业自动化进程。工业机器人是通过提供运动执行程序，来进行复杂的工作任务。近年来，不断发展出来的智能机器人，已经能够按照原有的记忆装置信息来实现复原示数的动作，进而完成自动重复执行动作。

1六关节工业机器人的结构和控制方法

1.1六关节工业机器人结构分析

随着电子控制技术不断发展，PLC正向高速度、容量大等联网及智能通信方向发展，通过联网能够实现PLC、变频器、远程I/O，并将其与上位的计算机进行连接，来构造出一种多级式分布系统。比如在三菱工业电机中，推出的一种CC-Link构建一种开放性面向现场控制的总线网路系统，DIN是德国工业标准，使用导轨是工业电气元器件的一种安装方式，安装支持此标准的电气元器件可方便地卡在导轨上而无需用螺丝固定，维护也很方便，一般来说，常用的导轨宽度是3.5cm。

现如今，很多的电气元器件都有采用这种标准，比如有PLC、断路器、开关、接触器等。Wienet系列的以太网交换机非常适用于工业领域。该设备支持通用型以太网（10 Mbit/s），快速以太网（10 Mbit/s）和千兆以太网（1000 Mbit/s）。也同样适用于RJ-45与光纤传。现如今，远程控制和远程维护解决方案实现是通过互联网来实现的，然而，通过互联网接入，可能会存在不可预知的风险。从标准的GSM（2G），通过UMTS（3G）到标准的LTE。Wie-Service24 是一个优化的VPN服务器门户，同时利用Ricos FLEX现场总线系统，Wieland在接口控制和现场外围设备之间提供了一个集成的概念。在设备附件，并通过现场总线网络，模块化I/O组件能够实现远程安装。通过简单明了的用户界面配置，能够实现人与人之间的交流沟通[1]。

1.2电机选择和系统模型控制

（1）六关节机器人的结构设计。动作控制是通过点对点定位，连续使用CP控制，机器人通过抓取放置物体，使用双蜗旋来传动物体。一般市场中的运动控制器通常包括插补功能（直线插补或圆弧插补），协同运动、齿轮、凸轮和事件触发动作（使用传感器和位置锁存）。在老控制器中，每轴使用专用的输入和输出。运动输入，如使能、超程限位和编码器输入（每轴一个或两个）和类似伺服命令的运动输出（通常为+/-10V模拟量）和/或步进指令（步进和方向）。多数控制器还具有一些通用的I/O。新控制器依靠数字网络，如EtherCAT或SERCOS用来传递控制信号至驱动器，接收和发送直接连接到驱动器的数字IO。

（2）PLCopen运动标准的第四部分包含了用于协调运动的功能块。他们定义了一套标准化的功能块，用于3D空间内的复杂运动控制，包括运动转换的功能块。通常，这些转换必须由厂商提供，因此，对于大多数制造商，如果运动控制器不支持，就不能添加运动转换功能。这个标准现在创建了PLC、数控（CNC）机器人和运动控制之间的一座桥梁。现在可以用一种和PLC一样的编程环境，完成一台机器的全部控制。这个标准使机器人、运动控制器成为控制系统的一个部分，而不是独立系统。集成运动控制和逻辑控制，是现代机械控制的两个主要需求。

2 PLC在六关节工业机器人控制中的设计应用

2.1工业机器人的电路驱动设计

PLC和电机绕组需要通过驱动电路，并使用电机的大电流及PLC弱点分離出来，来确保计算机能够不受到外界磁场的干扰，因此，需要设计光电隔离方法的电机驱动电路。此次设计采用了四排硬件脉冲方式运行，一台步进电机的相关需要PLC对4个点来控制，这样设计采用的输出是内部波形设计。

2.2参数选择

此次设计的系统采用的是三菱FX系列的PLC，而PLC型号是FX-64MT，从电路的结构来看，选择达林顿管和V1-V4的参数，基数的极电设计的10mA。需要根据电机的一些电阻及静态电流值，来计算出达林顿管的电流及电压值，同时，还需要充分考虑达林顿管的功率及散热片计算。此外，还要考虑顺电机功功率和供电电压等级，提升电机的效果，来留有一定预定。电阻是通过限制绕组中的电流值，由于电阻值很小且电流很大，电阻功率需要满足原有电流要求，因此，步进驱动器可以设计成为一个模块。

2.3系统的硬件配置

该系统是使用晶体管型是作为PLC作为控制系统的重点内容，其具有的内部输入端接入信号主要包括教盒控制面板，比如中枢按钮及机器关节限位含水接近开关，系统的输出阶段需要接入驱动器的控制六关节机器人的执行示教动作，来作为弧焊电机器的联动控制，硬件的系统框架图内容如下：检测系统的输入状态—Fx可编程制造器—6步驱动器—二氧化碳联动控制—开始六关节机器人—驱动电源。

PLC软件程序设计，六关节机器人在软件设计中，需要使用复读式机器方法，同时具有自主学习能力，可以按照记忆装置存储信息具有人手示教的动作，示教的动作能够自动执行动作，使用示教盒完成三种控制方法来进行控制操作：

（1）手动方法设计。在设计过程中，通过对机关的各个关节进行调整，能够实现达到任意的工作位置与工作原点，需要确定极限位置；

（2）手动示教位置工作方式，通过使用工作原点的机器人是借助手动按键示教在日后工作中所具有的一些动作。比如在机械设备工作中，让机器人在A点首先抓取一个物体W，需要越过一个障碍物达到Z高度，再借助物体W到B点，并使用记忆元件把手动示教记忆下来；

（3）自动工作方法。需要借助记忆元件存储数据，并执行电机的动作，使其和示教工作方式中的动作相同，共同完成所要求的生产任务。PLC软件程序主要包括以下内容：初始化运行复位—手动工作——自动工作——调用数据传送——数据比较——自动工作——双四拍脉冲输出——正转程序[2]。

（4）程序设计中的重点内容是功能补偿，传统的机械传动存在着误差，来使得机器人的传动机构存在着返回误差，既不能返回原有的程序随着运转次数的增加，积累定位存在着定位误差。在程序执行的过程中，需要校正程序。校正的方法存在着补偿信息，其中补充的方法是每一个循环对每一个步骤进行适当的补充脉冲补充，相较于准确的原位，在消除返回误差办法通过结算循环次数，在循环次数后，需要进行继续运转的步行电机施加补充脉冲，来消除积累定位误差。

结论：综上所述，PLC在六关节工业机器人控制中是让控制程序代码独立于硬件。在此基础上，系统的输出阶段需要接入驱动器的控制六关节机器人的执行示教动作，来作为弧焊电机器的联动控制；同时，需要根据电机的一些电阻及静态电流值，来计算出达林顿管的电流及电压值。因此，PLC在汽车生产中能够形成一个简单可行的FA设备。

参考文献：

[1]王宗跃.打磨机器人系统控制技术研究[D]。安徽工程大学，2017.

[2]向应军.一种基于PLC的码垛机器人设计与研究[D]。湖北工业大学，2017.