基于 PLC 的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究
2017-6-27 來源：黃河交通學(xué)院 作者：屈曉莉，李炎粉
摘要: 六自由度機(jī)械臂是強(qiáng)耦合非線性，該特性增加了機(jī)械臂的控制難度，這時(shí)應(yīng)對(duì)基于 PLC 的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，以找出相應(yīng)的解決措施，保證六自由度機(jī)械臂可被更好的控制。本文基于自動(dòng)化生產(chǎn)線中的六自由度機(jī)械臂作為研究對(duì)象，對(duì)此提出了合理的控制系統(tǒng)，確保六自由度機(jī)械臂能夠高效且平穩(wěn)的運(yùn)行。
關(guān)鍵詞: PLC; 六自由度; 機(jī)械臂; 控制系統(tǒng)
0.引言
機(jī)械臂可根據(jù)一定的程序和軌跡模仿人手部的部分動(dòng)作要求，從而展開自動(dòng)抓取和搬運(yùn)，其操作系統(tǒng)是自動(dòng)化裝置，且機(jī)械臂對(duì)控制實(shí)時(shí)性要求極高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展飛速，傳統(tǒng)機(jī)械臂控制系統(tǒng)早已適應(yīng)不了現(xiàn)代化的要求，早期基于 PLC 的機(jī)械臂控制系統(tǒng)輸入 /出較為緩慢，且其間所采用的算法冗余過多，造成程序掃描時(shí)間太長(zhǎng)，從而導(dǎo)致電機(jī)控制實(shí)時(shí)性缺失。因此，分析基于 PLC 的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究有著極大現(xiàn)實(shí)意義。
1 六自由度機(jī)械臂研究發(fā)展簡(jiǎn)析
六自由度機(jī)械臂也就是多自由度機(jī)械臂，其屬于典型的強(qiáng)耦合多輸入/輸出的非線性系統(tǒng)，可以說目前對(duì)機(jī)械臂軌跡快速跟蹤控制研究較多，但其間許多重點(diǎn)還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，機(jī)械臂建模及機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究是十分關(guān)鍵的。
六自由度機(jī)械臂絕大多數(shù)都是工業(yè)型機(jī)器人，其可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)和裝配，且可以自動(dòng)焊接與噴涂。固高科技 GＲB 系統(tǒng)的六自由度機(jī)器人可謂是固高成熟健全的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，其間具備先進(jìn)的設(shè)計(jì)及教學(xué)理念，可充分滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各方面要求，更是教學(xué)及科研機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，亦是編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)最為適宜的對(duì)象。
機(jī)械臂建模是基于機(jī)械臂的相關(guān)特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的，往往機(jī)械臂分布質(zhì)量為三維的，且其屬多自由度結(jié)構(gòu)，以牛頓力學(xué)得出機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程式十分困難的，但是基于拉格開朗日力學(xué)則僅獲得相應(yīng)的能量項(xiàng)，且于許多條件下應(yīng)用十分方便; 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究所采用的方式多是模糊自適應(yīng)控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，亦或者是魯棒自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，不過這些方式實(shí)現(xiàn)過程非常復(fù)雜。而逆系統(tǒng)方式屬于反饋線性化方式，其強(qiáng)調(diào)以對(duì)象逆系統(tǒng)建立可用反饋化方式實(shí)現(xiàn)的 α 階積分逆系統(tǒng)，主要是將對(duì)象補(bǔ)償為線性傳遞關(guān)系系統(tǒng)，也就是偽線性系統(tǒng)，之后基于此設(shè)計(jì)控制器。
2.六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與 PLC 控制系統(tǒng)
2. 1 六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)
六自由度機(jī)械臂是以六關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)，其關(guān)節(jié)傳動(dòng)是采用絕對(duì)編碼器電機(jī)和精密諧波減速器而實(shí)現(xiàn)的。小臂位置會(huì)裝設(shè)相應(yīng)的攝像頭和氣動(dòng)工具，這些都是其非常關(guān)鍵的外部設(shè)備接口，且提供相應(yīng)的電氣接口，用戶也能進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。機(jī)械臂控制多是集成了 PC 技術(shù)及圖像技術(shù)和邏輯控制等，其間還采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) VME 運(yùn)動(dòng)控制器，其性能可靠穩(wěn)定且速度快、精度高。如圖 1 所示，六自由度機(jī)械臂簡(jiǎn)視圖。
2. 2 PLC 控制系統(tǒng)
PLC 控制被應(yīng)用于各大領(lǐng)域，此類控制系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，且極具抗干擾能力，應(yīng)用便捷且簡(jiǎn)單，該控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械中意義重大。比如用于中央空調(diào)的 PLC 系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和控制及連鎖，同時(shí)可保護(hù)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行安全，數(shù)據(jù)顯示功能可將空調(diào)冷水出入口及冷卻水出入口溫度有效顯示，還有其蒸汽閥門開度及溶液泵等數(shù)據(jù)顯示。可幫助人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)其間存在的問題，并長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，這也是空調(diào)發(fā)展與研究必不可少的數(shù)據(jù)支撐; 其控制功能運(yùn)行方式主要是軟手動(dòng)及就地手動(dòng)和自動(dòng)這三種，而以這三種功能所構(gòu)建的空調(diào)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)合理調(diào)節(jié)及快速啟動(dòng)，從而更好地控制空調(diào)開關(guān)及運(yùn)行速度，充分降低能源消耗，以此提升空調(diào)的環(huán)保性，且強(qiáng)化其經(jīng)濟(jì)性及安全性。因此，可以說 PLC 控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大且安全可靠，靈活性很大，應(yīng)用于機(jī)械中的效果及作用一定是很好的。如圖 2 所示，PLC 控制系統(tǒng)整體框架簡(jiǎn)視圖。
3.基于 PLC 控制的六自由度機(jī)械臂控制
3. 1 控制系統(tǒng)構(gòu)成
基于 PLC 控制系統(tǒng)的六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)十分靈活，其伸縮擴(kuò)展很容易實(shí)現(xiàn)，可以說它的關(guān)量控制非常良好，更適宜于六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)。且其可實(shí)現(xiàn) PID 回路連續(xù)運(yùn)行，與上位機(jī)構(gòu)能夠充分結(jié)合，從而形成復(fù)雜且多功能的控制系統(tǒng)，比如直接數(shù)字控制和分布式控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用于六自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程全方位自動(dòng)化，以此快速提升生產(chǎn)效率，從而提高生產(chǎn)速度，為相關(guān)企業(yè)節(jié)省人力資源及各方面成本。
3. 2 基于 PLC 控制系統(tǒng)的使用
基于 PLC 控制系統(tǒng)具備非常強(qiáng)大的功能，其所采用的編程非常簡(jiǎn)單，且操作便捷。這里強(qiáng)調(diào)的是以簡(jiǎn)單明確的梯形圖及語句表和邏輯圖實(shí)現(xiàn)語言編程，其間不需要過多的計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)，簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)之后則可充分了解其各項(xiàng)開發(fā)及應(yīng)用。同時(shí)其所需的開發(fā)時(shí)間短，可短時(shí)間之內(nèi)實(shí)現(xiàn) PLC 開發(fā)及應(yīng)用，從而合理節(jié)約了生產(chǎn)實(shí)踐，使得機(jī)械臂現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試簡(jiǎn)單有效，可促使機(jī)械臂功能及其組裝等方面內(nèi)容快速健全，可確保后續(xù)檢修及養(yǎng)護(hù)工作更適宜操作。再是基于 PLC 控制系統(tǒng)的機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)在線程序更改，從而改善傳統(tǒng)控制方案改進(jìn)的有效性，確保相應(yīng)的控制方案更加快速地更改，為相關(guān)企業(yè)節(jié)約更多的人力資源及物力資源，推動(dòng)企業(yè)生產(chǎn)速度，且在此過程中盡可能地避免其間出現(xiàn)各方面問題。
3. 3 基于 PLC 控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性
基于 PLC 控制系統(tǒng)可更好地適應(yīng)諸多惡劣環(huán)境，強(qiáng)化機(jī)械臂適應(yīng)力，且提高了其抗干擾能力，確保機(jī)械臂運(yùn)作更為安全可靠，這樣會(huì)比同類機(jī)械比較效果更好。且使得機(jī)械臂于更多的環(huán)境下工作和生產(chǎn)，甚至是非常惡劣的環(huán)境中也能夠合理避免其間各方面影響因素，這樣也能保證生產(chǎn)人員安全生產(chǎn)。基于 PLC 控制系統(tǒng)的機(jī)械臂生產(chǎn)效率及生產(chǎn)寬度被合理提升，其能夠快速完成許多人力都不能完成的工作，從而推動(dòng)生產(chǎn)力的進(jìn)一步提升，這樣也能更好地提升中國(guó)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，以便提升我國(guó)在國(guó)際上的地位。具體而言，基于 PLC 控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，其主要是分為三個(gè)階段，這里強(qiáng)調(diào)的是輸入采樣及輸出刷新與用戶程序的全面執(zhí)行。其間所蘊(yùn)含的階段強(qiáng)調(diào)的是 PLC 控制系統(tǒng)工作周期的全方位掃描，在此過程中，可按照相應(yīng)的掃描速度進(jìn)行連續(xù)不斷的循環(huán)掃描; 我國(guó)氣動(dòng)控制及電動(dòng)接卸領(lǐng)域?qū)?PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，且此類技術(shù)亦推動(dòng)了閥島技術(shù)發(fā)展，機(jī)械臂領(lǐng)域?qū)Υ说膽?yīng)用亦是非常廣泛，該控制系統(tǒng)使得機(jī)械臂操作更簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)其功能也被不斷擴(kuò)大。
4.基于 PLC 的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
4. 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是由工控機(jī)及 PLC與觸摸屏，加上伺服驅(qū)動(dòng)器及同步交流電機(jī)與編碼器構(gòu)成。工控機(jī)及觸摸屏屬于監(jiān)控層，其主要作用是監(jiān)控機(jī)械臂運(yùn)行情況，而 PLC 屬于控制層用戶可于工控機(jī)中編寫程序，同時(shí)將其下載至 PLC 中，從而更好地控制 PLC 伺服驅(qū)動(dòng)，保證其間各個(gè)伺服電機(jī)能夠合理協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。
4. 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4. 2. 1 PLC 軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)程序運(yùn)用的是模塊化編程思想，從而把驅(qū)動(dòng)參數(shù)快速初始化，這時(shí)機(jī)械臂可快速回到原點(diǎn)，再采用運(yùn)動(dòng)學(xué)正解及反解和路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)程序功能塊，而這些都是非常重要的子程序，從而保證程序結(jié)構(gòu)更夠清晰且快速修改。
4. 2. 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法設(shè)計(jì)
其間采用的伺服電機(jī)應(yīng)改變轉(zhuǎn)角來驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂工作，要將平動(dòng)盤位置合理定位，同時(shí)并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)，這里強(qiáng)調(diào)的是將其與電機(jī)轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，而其間互相轉(zhuǎn)換主要是運(yùn)動(dòng)學(xué)正解算法及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法這兩方面: 正解算法則是其間所采用的各臺(tái)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角可推算平動(dòng)盤于平面中的位置; 反解算法則強(qiáng)調(diào)的是以平面中平動(dòng)盤合理推算電機(jī)中軸的旋轉(zhuǎn)角度。
4. 2. 3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
通常是選擇合理的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件，以機(jī)械臂控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控功能提出的要求。具體而言，監(jiān)控系統(tǒng)主要是下述幾方面構(gòu)成: 其一，主界面。主界面可全面顯示六自由度并聯(lián)機(jī)械臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)，還有其電機(jī)左右抱閘控制及伺服鎖定控制，且采用指示燈來指示狀態(tài)，從而及時(shí)觀測(cè)機(jī)械臂實(shí)時(shí)位置; 其二，自動(dòng)控制界面。此界面中具備機(jī)械臂的自動(dòng)運(yùn)行按鍵，比如自動(dòng)啟動(dòng)及 STOP 等類按鈕，亦可設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行中的許多位置和屏障高度，且此界面還應(yīng)設(shè)置適宜的鐵片，其厚度應(yīng)適宜六自由度機(jī)械臂控制，還有其循環(huán)次數(shù)及運(yùn)動(dòng)速度等類參數(shù); 其三，手動(dòng)控制界面。該界面可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的手動(dòng)操作，比如其相應(yīng)的點(diǎn)動(dòng)，并嚴(yán)格指定相關(guān)位置絕對(duì)移動(dòng); 其四，報(bào)警界面。此界面主要是以指示燈指示相應(yīng)的方向，警示其越限和軸錯(cuò)誤，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的按鈕，如果出現(xiàn)越限警報(bào)，則可及時(shí)按下清除按鈕將機(jī)械臂恢復(fù)于原始位置。
5.結(jié)束語
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，科學(xué)技術(shù)亦隨之飛速發(fā)展，各類高性能及多功能機(jī)械被研發(fā)和應(yīng)用?；?PLC 控制系統(tǒng)的六自由度機(jī)械臂快速推動(dòng)了我國(guó)機(jī)械臂功能水平的提升，且促進(jìn)了我國(guó)六自由度機(jī)械臂的進(jìn)一步發(fā)展，可推動(dòng)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，以此促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速提升，從而提升我國(guó)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也提高了我國(guó)的國(guó)際地位。本文對(duì)六自由度機(jī)械臂研究發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)析，并探討了六自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與 PLC 控制系統(tǒng)，全面分析了基于 PLC 控制的六自由度機(jī)械臂控制，對(duì)基于 PLC 的六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)分析，為我國(guó)機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提升提供可靠的理論性依據(jù)。
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