机器人控制系统设计中PLC直角坐标式的应用

卜才力

[摘 要：为了设计出更高效的直角坐标式机器人搬运系统，本文对传统机器人控制系统展开了详细的分析，并综合设计需求，最终选定将PLC作为该机器人的核心控制器。基于实际需求，控制系统将具有自动操作、故障报警处理等多种功能。而后，在设计出该系统的硬件架构的同时还综合进行软件架构方面的设计工作。

关键词：直角坐标式机器人；PLC；控制系统]

传统制造企业迫切需要走转型升级道路，如今，柔性生产以及自动化俨然成为企业的发展方向，在进行大批量生产时，在机器人的操纵下可以完成数控机床下料等工序，进而取代人工操作，此时作业者不再需要进行枯燥的、高危险的劳作。于机床下料系统而言，直角坐标式机器人在结构方面更为简单，所需成本低廉同时操作便捷，因此被广泛运用。

1钻杆搬运系统

1.1系统简介

在生产螺旋钻杆时，必不可缺的一道工序则是叶片焊接，该工序将直接对钻杆质量造成影响。从流程上分析，焊接前需要进行搬料操作，即将钻杆搬运至焊接工位上；在完成焊接后，需要再一次搬运，将钻杆放置在补焊台以便后续手工焊接的进行，而后则需要運送至下料箱。实际上，钻杆较为沉重，采用人工搬运的方式费时费力。此时，基于直角坐标式的机器人钻杆搬运系统突显出魅力，它可以高效地完成各项搬运工作。

结构上，该系统可以拆分为四大部件，除了基本的直角坐标式机器人以及补焊工装外，配备有上、下料箱。于机器人部分而言，采用的是龙门式结构，并引入伺服电机以便提供动力。

1.2系统控制要求

具体可总结为如下四点：①可以实现对机器人的三轴协调控制，此时机器人可以进行抓取、送料等动作；②拥有自动返回原点的能力，具有连续工作等操控特性；③在人机界面的辅助下，可以完成对产品参数的设定；④实时监测运行状况，具有异常状况报警能力。在满足上述四点要求外，控制系统还应为机器人创造一个稳定的环境，同时提升复位精度。

2控制系统硬件设计

上、下位机以及执行结构这三部分共同构成硬件系统。具体来说，下机位可以理解为是系统的智慧中心，它是核心硬件之一，此处选用了西门子公司的可编程控制器，具体型号为S7-1217C，它能够同时输出4组高速脉冲。

上位机具有两大功能，其一能够实现参数设定，其二可以进行可视化监控。当控制系统处于运行状态时，上位机可以将PLC的信息实时地转达给操作人员，以此实现人与设备的沟通。随之配备的人机界面可以展示PLC对应的I/O状态，并提供现场各类信息。同时，操作员也可以通过人机界面实现对设备的参数设定工作。所采用的屏幕为可触摸式，型号为西门子的KTP系列。

执行与检测结构大体可拆分为四大部分，即伺服电机、传感器、电池阀以及电磁铁，当然并不局限于此。借助于远程I/O模块，PLC可以对执行机构进行控制，亦可实现与其它设备的连接。而后可以向机器人或相关设备发出具体的指令，以便执行结构做出相应动作，而后还可将实际作业信息反馈至PLC。

系统完成搬运动作需要依靠PLC的控制，具体为：伺服电机驱动器配备了相应的脉冲I/O口，借助此结构PLC可以将脉冲信号输出至驱动器，而后方可对伺服电机加以控制，实现运行与正反转等功能。人机界面充当媒介作用，实现操作者与设备的沟通。

3控制系统软件设计

除了硬件方面外，软件设计工作也至关重要，它可以将设备各类功能联动起来，形成高效、稳定的运行机制。在此系统的控制模式中，可以分为自动与手动两类。

3.1核心功能设计

3.1.1生产参数设定

此环节主要的设计内容有工件的规格，具体体现在直径与长度等方面。依托于触摸屏，PLC可以获取操作者的设定参数，而后呈递给公用计算地址。

3.1.2运动路径规划

可分为如下两部分：①工件空间位置计算：上、下料箱内存在一定数量的钻杆，此环节则是计算出其在机器人坐标系的具体位置信息。整体思路为：料箱内的钻杆可以分为若干层，每层数量均相同，在不考虑钻杆长度的前提下，通过二维坐标的方式便可确定各钻杆所对应的位置；②运动控制：通过此环节的设计，可以确保机器人不与现场的各类设备出现碰撞现象，它可以对各轴展开顺序规划，并设定手爪动作时间。具体来说：机器人进行一个搬运周期可以分为两个步骤，即取料与放料。在具体的执行过程中，任何一轴的运动都遵循X、Y、Z轴原则。当机器人完成任务后，此时Z轴将重新回到原点，其余二轴处于最后一次动作结束时所对应的位置。

3.2人机界面程序

通过人机界面，可以实现手动与自动模式的切换。触摸屏能够展示实时的运行模式，参数设定、故障信息得能等多种内容，具体可分为如下五点：①系统状态：呈现系统实时操作状态；②生产设定：呈现产品的长度、数量等信息；③机器人状态：呈现机器人实时状态；④上下料箱工件信息：呈现上、下料箱实时的工件数量；⑤机器人手动控制：呈现机器人各轴的手动控制信息；⑥报警处理：呈现设备故障信息。

4结语

此处所设计的直角坐标式机器人控制系统具有三大突出特点：其一，拥有自动与手动两种模式，可进行灵活切换，系统对空间的耗费程度小，研发周期短，运行稳定。其二，一方面可以实现I/O量的实时获取与调控，另一方面可以通过高速脉冲实现对机器人的运动控制，并带来高精度复位。其三，精简的人机界面可以为操作者提供实时的机器人以及各类设备信息，操作者也可以展开相应参数设定。总体而言，基于PLC控制器而研发的直角坐标式机器人具有高度灵活性与适应性的特点，未来将拥有广阔的市场。

参考文献

[1]陈彦宇，田东庄，许翠华，等.基于PLC直角坐标式机器人控制系统的设计[J].自动化仪表，2018，39（4）：42-45.

[2]刘军.开放式直角坐标机器人运动控制系统研究[D].天津大学，2010.