直角坐标机器人控制系统设计与研究

王鑫 许晓安 杨裕才 谢天杰

摘要：简要阐述了直角坐标机器人控制系统设计原理，详细分析了直角坐标机器人控制系统的设计要点，以期能够提高机器人控制系统的运行稳定性，满足不同的工业生产需求。

关键词：直角坐标机器人;控制系统;软件设计;硬件设计

0 引言

我国工业生产方式不断升级，机械化生产逐渐取代了人力生产，同时，科技发展进一步推动了工业机器人的开发。其中，直角坐标机器人凭借其结构简单、成本低廉以及控制便捷的优势，在工业生产中得到了广泛应用。直角坐标机器人能够稳定完成搬运等工作，提高了工业生产效率。

1 直角坐标机器人控制系统设计原理

直角坐标机器人主要应用于工业生产中，机器人可以自动化控制、重复编程，具有较高的自由度，能够完成三维空间内的指定运动，在此基础上完成各类搬运工作。本控制系统主要设计要点：（1）控制计算机，负责调度指挥控制系统。（2）示教盒，负责设定工作轨迹及参数，使用串行通信方式完成人机交互。（3）操作面板，设计多种功能按键和指示灯，完成人工控制。（4）硬软盘储存，负责储存工作程序。（5）输入输出模拟量，输入并输出控制状态及指令，让机器人按照程序和命令完成动作。（6）接口，包括打印机、传感器、网络、Ethernet等，能够将信号和数据传输至控制系统，辅助功能的实现。（7）其他辅助设备，负责配合控制系统，完成机器人的动作控制。

在工业生产中，直角坐标机器人具有功能多、应用灵活等优势，可以实现高精度、高速度运行，即使在恶劣的环境中仍然能保持高效工作[1]。

2 直角坐标机器人控制系统的设计与实现

2.1    设计思路与框架

直角坐标机器人设定4个自由度，能够带动特定机械手沿着X、Y、Z轴水平移动，Z轴抓手能够旋转。机器人4个关节受4个伺服电机驱动，下位机发送脉冲信号控制电机，从而精准控制机器人。启动机器人后，上位机采集传感器信号，可以对机器人末端进行控制，夹紧物料。Z轴伺服电机可以带动齿轮运动，从而带动抓手向上运动，上升至限位传感器，X轴以及Y轴电机做直线插补运动，结束后，抓手运动至目标上方，伺服电机反向控制运动，抓手向下抵达目标位置，完成整体目标运动。

2.2    软件设计

2.2.1    设计流程

硬件作为系统载体，机器人的功能作用主要依赖于软件系统，软件设计效果决定了机器人的功能性。直角坐标机器人控制软件按照软件设计流程设计。明确软件功能性，根据直角坐标機器人的动作设计，分析软件系统功能，形成整体框架。根据分析软件功能，设计程序流程;分配I/O和寄存器地址，进行程序编写，并优化程序。编译转换编辑区程序、生产执行文件，对程序正确性进行检验，按照提示对程序进行修改。机器人在调试环境下进行模拟运行，检查程序功能，若无法满足功能要求，返回检查程序，进一步优化程序。如果满足调试环境要求，需连接机器人进行调试，观察机器人动作是否满足功能要求，直至机器人完全满足功能要求，完成软件设计。

本机器人使用PLC控制系统，该系统具备数字运算系统，使用可编程储存单元进行内部顺序控制，通过数字或模拟方式输入输出，使机械设备正常运行。PLC开发了界面图形化功能，便于系统扩展，抗干扰能力强。使用PLC控制系统的直角坐标机器人操作简单，具有较强的承载能力，运行稳定，同时，投入成本较低，能够实现精准定位。

2.2.2    程序流程

程序流程图如图1所示，为保证达到设计目标，需要提高程序流程的逻辑性，保证功能齐全，降低程序出错率。

2.2.3    界面设计

界面作为操作机器人的渠道，用于传达控制指令，监控机器人运行状态，保证机器人功能的实现。本系统设计界面主要包括初始化界面、功能窗口以及主操作界面，主要完成机器人示教、系统监控、参数设定以及系统初始化等功能。主控界面包括命令按钮，具有四轴联动、单轴操作、初始化操作等功能，通过选择不同选项，机器人按照命令执行，完成相应功能[2]。

在系统界面上可选手动运行模式和自动运行模式。手动运行模式下，可人工调整任意轴的位置及方向，让机器人实现随意运动，同时，手动运行可以设定运动轨迹，联合多轴实现协同运动，设定复杂的机器人运动轨迹。自动运行模式要点击程序控制卡，发出信号控制伺服电机，对机器人X轴和Y轴进行联合控制，到达工件指定位置，通过控制气缸开关，抓取或释放工件，完成机器人搬运工作。在自动运行模式下，启动程序可实现机器人自动工作，按程序完成工作内容。

2.2.4    路径规划

系统通过计算运动空间对机器人运动进行控制，建立坐标系，通过各轴运动顺序及时间对运动进行控制，避免和设备发生碰撞。机器人完成取放料为一套动作流程。机器人搬运动作的顺序为X轴、Y轴、Z轴。机器人完成搬运任务后，X轴和Y轴停留在最后动作位置，Z轴回归原点。所有路线规划均需要以坐标系原点为核心，在机器人运动单元上，每个轴均要有传感器，用于调整和设置参考点，也就是原点位置。在应用机器人前，需要设计回零指令，让机器人能够回到原点位置。控制卡检测到原点信号后，滑块会自动停止运行，启动指令，机器人回归到原点位置，等待下一次工作。

2.3    硬件设计

直角坐标机器人控制系统采用多轴多角度同步运动方案，硬件系统包括触摸屏、位置控制模块、速度检测模块以及执行机构等[3]。机器人控制系统的控制器性能好，具有较高的稳定性，数据处理速度更快。自动化程序完成伺服电机驱动后，对其他数据进行处理。机器人控制系统采用电源模块、位置模块、CPU模块以及通信模块等。其中，CPU模块作为系统核心模块，对运动模块进行控制，运动模块接受CPU发出的命令，生成各种插补轨迹。根据输出脉冲串数量，控制电机旋转角度，根据脉冲串输出，对电机转速进行控制，编码器反馈实现闭环控制。直角坐标机器人由PLC发送脉冲指令，驱动伺服电机启动，带动机器人运动，完成相应功能。伺服驱动电机包括电源、电机连接器等。电机连接器和伺服电机相连，并连接PLC。编码连接器接收反馈信号。

3 结语

本文对直角坐标机器人的控制系统进行了设计，提高了机器人运行的稳定性，根据不同生产需要，可通过调整控制程序，满足工业生产需要。该系统通过现场采集I/O数字量，能够发出脉冲信号控制电机，对机器人动作进行精准控制，实现精准定位。

[参考文献]

[1] 李浩，卢军，孙姝丽.基于视觉引导的直角坐标机器人轨迹规划研究[J].组合机床与自动化加工技术，2019（12）：65-69.

[2] 马星辉.多轴直角坐标搬运机器人的通用控制方法研究[J].机电信息，2019（35）：164-165.

[3] 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.

收稿日期：2020-06-24

作者简介：王鑫（1983—），男，河南信阳人，工程师，从事工业机器人研究和企业管理工作。