基于PLC的多轴机械手运动控制设计

李子昀

（岳阳职业技术学院 机电工程学院，岳阳 414000）

随着科技的不断进步，现代控制技术和现代机器人技术随之迅猛发展，使得工业机器人技术的应用领域越来越广泛。机械手作为能代替人工从事工作环境恶劣、精度要求高以及工作强度高的设备，已被大量应用于工业生产。工业机器人作为现代制造业中典型的自动化设备，集中了机械技术、控制技术、人工智能技术、传感器技术以及软件技术等多种先进的学科技术[1]。目前，国外在机械手方面的探索主要在于高精度机械手应用的研究。虽然国内在机械手的运动建模、运动控制、优化控制和运动仿真等方面也展开了许多研究[2]，但是机械手的应用还存在很大的局限性，其中多轴机械手的运动控制和运动优化还需要继续探讨和研究。随着可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的功能不断完善，其性价比得到了很大提高，应用领域越来越广泛。本文主要采用PLC对多轴机械手的运动控制进行设计。

1 基于PLC的多轴机械手控制系统组建

PLC是工业控制中常用且控制稳定的数字运算操作的电子系统。它以简单的继电器和计时器替换原有的各种复杂逻辑功能结构，将原有的复杂功能电路简化成各种物理继电器和计时器的组合体，从而使其编程语言得到了简化。PLC是以继电器梯形图为基础的图形编程语言和模块化的程序结构，能够将程序编制变得清晰明了、直观易懂、简单易学[3]。PLC是无触点控制系统，它的运行程序由软件完成，输入与输出之间没有实际连接，能够随意变化控制程序以实现不同的控制要求，且在其运行过程中不受硬件电路的约束[4-5]。在PLC控制系统中，PLC通过传感器采集控制过程中的机械信号和参数，经过分析和处理后用以控制执行机构。它的外部连接如图1所示。

图1 PLC控制系统连接图

在PLC控制多轴机械手的控制系统中，由检测系统对多轴机械手的运行参数和状态进行监控和检测，并把检测数据送给控制器PLC。控制器结合检查数据和系统控制程序进行运行处理，之后由驱动器根据处理结果驱动多轴机械手的各个关节，使其完成设定的运动。此过程中可以通过计算机设定PLC控制程序和监控多轴机械手的运行过程。控制系统框图如图2所示。

图2 基于PLC的多轴机械手控制系统图

2 多轴机械手运动控制设计

遵循控制系统设计的先进性、实用性、开放性、实践性和模块化的原则，设计实用性较强的多轴机械手控制系统。该系统选择相应的端口、元器件以及设计灵活的小系统，将运动控制各功能模块分离开来，便于系统的调试、维护与拓展，同时能使多轴机械手的运动控制更稳定。多轴机械手由多个活动关节组成。各关节的控制结合了计算机控制、数字信号处理以及自动控制等多种先进技术，且每个关节的活动都由PLC控制相应的驱动器实现。在多轴机械手空间运动的过程中，它的运动轨迹由设定或规划的路径而定。以4轴机械手为例，它的控制系统框图如图3所示。

图3 基于PLC的多轴机械手控制系统框图

通过设定机械手运动行程，现规划多轴机械手的空间运动轨迹图，如图4所示。本文中所涉及的控制对象整体为多轴机械手，对机械手各自由度进行分解，有关节1、关节2、关节3、关节4等多个活动关节。每个关节的控制均为独立的控制对象，以便于多轴机械手的整体控制。其中需要控制关节1的运动、关节2的运动、关节3的运动以及关节4的运动，它们的运动行程设计按照相应的运动顺序依次进行，每个周期的运动实现后又会重新到达初始位置。

图4 机械手运动空间位置图

规划的机械手运动行程为（单工作周期）：0→[a]0′→[b]0→[c]1→[d]1′→[e]1→[f]1′→[g]1→[h]2→[i]2′→[j]2→[k]2′→[l]2→[m]3→[n]3′→[o]0。其中：[a]为关节2运动，运动到位的信号为2B1、高电平；[b]为关节1运动，运动到位的信号为1B1、低电平；[c]为关节3运动，运动到位的信号为3B1、高电平；[d]为关节2运动，运动到位的信号为2B2、高电平；[e]为关节5运动，运动到位的信号为5B1、高电平；[f]为关节2运动，运动到位的信号为2B1、高电平；[g]为关节3运动，运动到位的信号为3B2、高电平；[h]为关节1运动，运动到位的信号为1B1、高电平；[i]为关节2运动，运动到位的信号为2B2、高电平；[j]为关节2运动，运动到位的信号为2B1、高电平；[k]为关节2运动，运动到位的信号为2B2、高电平；[m]为关节5运动，运动到位的信号为5B1、低电平；[n]为关节4运动，运动到位的信号为4B1、高电平；[o]为关节2、4、5协调运动，停止条件为初始位。

多轴机械手的运动控制程序主要是实现对各个关节的运动控制，使各个关节从空间初始位姿稳定快速地到达空间末端位姿。设计的控制系统中，各个被控对象的控制软件都包含有主程序和中断服务程序。各个对象的控制主程序均基于一个整体控制系统，且能够实现数字信号处理器的初始化和系统的设置。

3 结语

本文探讨了基于PLC的多轴机械手的运动控制系统的设计，构建了基于PLC的多轴机械手的控制系统。实际使用效果显示，该系统通用性较好。当系统控制要求改变时，基本不受硬件电路的限制。本文还对其多轴机械手的空间运动进行了规划和设计，实现了基于PLC的多轴机械手的运动控制，系统控制灵活，且方便更换和添加控制对象，有极强的通用性和开放性，为多轴机械手开发式运动控制系统的研究提供了很好的借鉴，在工业实际中具有广阔的应用前景。