基于PLC控制的工业机器人组装系统研究

杨微

关键词：PLC控制理论；工业机器人；组装系统；视觉系统

工业机器人作为我国智能制造战略实施的重要载体，以PLC控制为基础的工业机器人系统能够利用专门的PLC通信网络将不同工业机器人全面连接起来，面对整个工业机器人实施系统控制，支持数个工业机器人开展协同操作，打造自动化产线，进一步提高整个工业系统的生产质量和生产效率。当前，我们需要进一步深化工业机器人相关应用研究，尤其是强化研究工业机器人自动控制系统，增强工业机器人智能化和自动化控制水平。

1PLC控制理论分析

PLC控制以可编程逻辑控制系统为基础，是一项基于数字计算支持的电子操作系统，服务于工业生产活动。自动化控制涵盖电力供应、接口、数据储存、控制命令、处理器等，可以执行各种逻辑运算、定时、计算以及控制命令，借助接口输出至不同控制板块辅助机械生产。PLC控制系统和传统模式下的工业控制系统相比，具有良好的逻辑性和灵活性，同时数据处理速度更快。

PLC控制属于机器人系统中的核心，主要利用扫描形式运行各项操作程序，PLC控制具体的运行过程可以进一步分解为3个环节，分别是采样输入、用户执行程序以及刷新输出。

在采样输入环节，前段部分主要是采样输入区段，该段PLC控制扫描读取机器人系统相关数据信息后，直接将所采集数据储存至PLC控制系统对应的I／0映像区内，结束该阶段操作后，开始下一环节流程。

在用户执行程序区间内，该阶段PLC控制能够联系特定顺序对用户编制梯形图进行扫描，各个梯形图按照从左到右的顺序实施扫描，对梯形图内不同触点组成的控制线路进行准确读取运算，联系最终采集读取识别结果对系统内逻辑线圈状态进行实时更新，或对I/O区内出线圈存储状态进行刷新，决定是否按照梯形图相关命令执行具体操作。

在输出数据刷新中，上一操作结束后，PLC控制能够自主启动刷新功能。经过处理后，CPU可以对I／O映像区内实际操作状态和运行数据进行采集分析，并联系相关数据信息针对现有存储电路实施全面刷新，最后借助预先设计的电路系统以及运行程序对机器人的各个活动关节轴进行合理调控。

PLC控制根据整体结构类型进行划分，可以结合组成结构分成整体化、模块化2类形态。整体化结构即整个机箱被完整密封，针对CPU，I/O接口以及PLC电源等实施集中整合构架。该类结构模式下的自动化控制系统内部结构相对紧凑，成本较低，方便组装，可以直接放到机器人系统对应控制柜内，但该种PLC控制系统综合性能一般，通常仅用于对简单程序机器实施操控。模块化PLC控制进一步对PLC控制系统不同部分进行分隔制作，不同元件能够灵活组装，联系机器人系统配置需求差异选购多样模块，并合理组装。模块化PLC控制拥有较高自由度，可以满足拟合机器人系统需求，有助于机器人未来不断创新升级，该类PLC控制普遍拥有复杂的程序系统以及功能性突出的机器人。

2工业机器人系统

工业机器人是广泛应用在工业生产领域中自带运行动力的多自由度机器系统，操作人员需要对工业机器人进行预先程序设计，随后便可以在工业生产中进行半自动和自动化生产操作，在进一步提高整个系统生产效率基础上能够进一步降低整体制造成本，能够在相关领域中得到全面推广和应用。结合实践分析发现，工业机器人整体结构模式呈现出复杂性和多样化特征，其中某些系统装置结构简单，如龙门机器以及悬臂机器装置等，除此之外，还包括各种复杂结构系统装置，多轴关节组装的机器人系统活动路线具有较高精准性。如果结合机械结构对机器实施细化分类，可以将机器人分成直角坐标、柱面以及球面坐标等多种类型。结合工程要求挑选工业机器人时，并非精细度和复杂度越高越好，因其不但会造成性能浪费，甚至会增加机器维修、学习费用，为此应该结合日常实际生产需求选择价格相对低廉的简单机器人[1]。

3基于PLC控制的工业机器人组装系统

3.1系统整体架构

对于工业机器人而言，主要功能是针对目标物进行装配，为此需要机器人实施检测、抓放以及运输等操作，整个活动十分复杂。在工业生产装配中，工业机器人、PLC控制以及视觉系统之间进行顺畅的信息传递，并对工业机器人具体动作进行合理操控，做好生产过程检测。工业机器人主要包括软件系统、控制模块、驱动装置、执行部件、决策系统、感知装置等部分，需要不同功能系统同步运行才能发挥出工业机器人的应用价值，实现工业机器人正常运行，并能够按照要求有序开展各种活动。控制系统在工业机器人内占据核心地位，能够对机器人系统实施指挥控制，操控生产过程。设计环节需要结合工业机器人投人生产要求以及生产目标实施合理设计，综合考虑整个控制系统，在设计中需要符合下列要求：支持自由协调操控，提高系统处理效率，精准呈现各种生产参数和运行数据，优化操控模式，整个工业机器人拥有快速的动态响应以及实时反应能力，可以保障系统的稳定操作和安全生产，提高系统运行可靠性。对人机操作界面进行优化设计，从而保证上手操作的便捷性，提高各个基础硬件结构的紧凑性，优化系统布局[2]。

3.2系统结构设计

系统结构设计可以进一步分成以下几部分。

（1）驱动系统。通常情况下，工业机器人内的驱动系统主要包括气压、液压以及电气驱动等。电气驱动模式主要依赖电动机发挥作用，提供基础力矩和运行动力，从而对工业机器人实施全面驱动，确保工业机器人根据行动指令进行生产活动。工业机器人在实际运行中，需要保证系统内不同关节的驱动电机维持较高的运行功率，优化产品生产质量，達到运行功率最高要求，使工业机器人维持一种相对均匀的运行速度，提高反应速度，增强整个生产过程的可靠性和稳定性，形成短暂过载能力。综合具体要求分析，为提高系统操作精度，满足规范建设目标，需要优化工业机器人整体设计，适当选择应用半闭环伺服管理系统。联系工业机器人的关节操作要求合理选择电机系统。比如，可以选择最新材料制作的电机系统，注重在实践操作中进一步突出材料的磁性优势，对整个系统磁极、磁路实施合理配置，优化整个电机结构，提升电机系统运行效能。增加220V电压能够保持加速度状态运行，提升系统运行稳定性，针对电机系统合理增设光学编码系统，利用带差动线来促进换向信号、数据参数的驱动发展，以满足环境保护要求[3]。

（2）控制系统。在实际运行中需要使工业机器人满足标准作业要求，大部分条件下，操作系统内的工业机器人会按照设置命令开展各项生产活动，严格按照既定路线轨迹运行操作，保持固定姿势状态。通过深入分析工业机器人各个层面，可以进一步控制系统相关控制模式。其中，PTP控制无需规定运动轨迹，保障目标准确即可，尽管方便实现，但无法进一步体现出精准度特征：CP控制对于运行速度和运行轨迹有严格要求，在实践操作中应该促进不同关节同步运动，相对而言，该种控制模式较为复杂，拥有较高精准度。为此，工业机器人在控制模式设计中可以联系机器人实际生产需求和工作性质确定。控制系统可以进一步划分成伺服控制系统以及非伺服控制系统。在实践应用中，将机械量当成基础控制量，基于控制质量驱动，确保工业机器人内各种功能模块可以按照指令要求进行生产操作。工业机器人在实际运行中可以分成开环以及闭环2类运行模式，而闭环控制则是利用直流伺服以及交流伺服电机进行驱动，闭环控制下可以自动检测系统运行误差，将操作误差控制在0.001～0.003之间。闭环系统内可以对各个环节误差进行有效补偿，但即便如此，也容易导致系统中振荡，使系统运行不稳。为此，人们广泛应用半闭环伺服系统，同时系统操作性能优良，在实际系统运行中具有优秀表现。

（3）控制器选择。结合工业机器人相关PLC控制技术要求，应该选择应用范围广、操作性能突出且具有良好可靠性、通用性、抗干扰性的控制器，随着自动化控制技术持续创新发展，各种功能指令效果进一步加强。而且，PLC控制对应接线方法十分简单，只需将运行控制命令输入其中，便可以灵活操控机器人，基于协调多轴控制，融合先进网络技术，即可提高整个机器人系统操控精密度。PLC控制系统对于硬件没有过高要求，可以进一步脱离复杂电路板进行操作。

3.3PLC控制程序设计

结合PLC控制特征，选择梯形图充当机器人PLC控制编程模式，随后进一步将PLC控制分解为初始化程序、手动程序、自动化程序3种流程。其中，初始化程序是为预先设计部分程序设计运行参数，为后期系统正常操作打好基础。手动程序即对机器人末端操作部件位置和基础活动进行适当调节，部分具有较高自动化水平的工业机器人可以直接省略这一环节。自动化程序也是整个工业机器人系统中的核心部分，可以操控机器人不同关节轴活动，控制机器人实施焊接、码垛相关操作。在整个系统正式运行后，率先实现初始化程序采集各种运行数据，同时扫描伺服电机动态参数，若无法读取，则会自动延长时间，如果依然无法顺利读取数据，便会将问题反馈到人机交互系统，进而采取人工处理措施。结束初始化程序后，操控人员自由选择是否手动操作，可以直接设置系统自动化操作程序[4]。

3.4自动化人机界面

人机界面中的触摸屏是核心控制单元，借助I/O连接为生产线中各种运行项目提供运行信号，如工业视觉系统、机器人以及气动系统等，从而针对整个系统实施合理控制，驱动整个生产线内各个元件顺畅通信，彼此配合执行自动化操作。自动化装配系统中控制器设置PLC控制模式，在操作平台中设置基础控制柜，在试验台旁设置操作面板。组态设计中选择多线程嵌入式软件，针对机器入和PLC通信组态进行设计，新建工作项目，双击产品图标，针对设备组态窗口右击鼠标选择设备工具箱，并选中FP系列通信口和通用串口设备。构建用户窗口，包括报警、参数设置、输入监控以及运行画面等模块。创建实时数据库，按照自动化控制中的传输命令创建数据库，借助人機界面便可以实现PLC指令控制。构建循环策略，对脚本程序和运行策略进行科学编制设计[5]。

3.5视觉系统设计

视觉系统主要包含电源、显示器、相机、照明单元以及视觉驱动器等部分，其中电源部分可以为光源、驱动模块，提供DC 24 V电源。组装平台和相机之间距离设置在0.7m左右，选择设置CV-H100M型号相机，结合反射照明形式。视觉系统利用RS232和机器人实施顺畅通信。机器人进行托盘走位和托盘取放，其中包括没有目标物的空托盘以及有目标物的满托盘，机器人在托盘走位夹取中实施放目标物操作，并在托盘内夹取目标物移动至相机对准部位进行拍照，借助固定相机采集目标物引脚安装偏移度和中心位置。在夹具固定孔内设置目标物，利用移动相机采集目标物安装孔的偏移角度和孔中心部位，促进目标物准确取放。固定夹负责取盖子，并将其转移至装配好的目标物部位，覆盖盖子，支持盖子顺利装配，该种条件下装配机器人初步完成任务[6]。

4结束语

随着我国提出智能制造发展战略，进一步在工业生产领域融合应用各种先进的智能技术和信息技术，促进我国工业生产实现全面转型创新。而工业机器人在智能制造中发挥着重要作用，为此需要针对工业机器人发展特征进行系统研究，并以此为基础，全面优化工业机器人组装系统综合设计。