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基於 PLC 的六自由（yóu）度機（jī）械臂控製（zhì）係統研究

2017-6-27 來源：黃河交通學院作者：屈曉莉，李炎粉

摘要: 六自（zì）由度機械臂是強耦合非（fēi）線性，該特性增（zēng）加了（le）機械臂的控製難（nán）度，這時應對基於 PLC 的六自由度機械臂（bì）控製係統（tǒng）進行全麵分析，以找出相應的解決措施，保（bǎo）證六自由度機械臂可被更好的控製。本文基於自動化生產線中的六自由度機械臂作（zuò）為研究對象（xiàng），對此提出了合理的控製係統，確保六自（zì）由度機（jī）械臂能夠高效且平穩的運（yùn）行（háng）。

關（guān）鍵詞: PLC; 六自由度; 機械臂; 控製係統

0.引言

機械（xiè）臂（bì）可根據一定的程序和軌（guǐ）跡（jì）模仿人手部（bù）的部分動作要求，從而展開自動抓取和搬運，其操作係統是自動化裝置，且機械臂對控製實時性要求極高。隨著科學技術（shù）的（de）發展飛（fēi）速，傳統機械臂（bì）控製係統早已適應（yīng）不了現代化的要求，早期基於 PLC 的機械臂控製係（xì）統輸入 /出較為緩慢，且其間所采用的算法冗餘過多，造成程序掃描時間太長，從而導致電機（jī）控製實時性缺失。因此，分析基於 PLC 的六自由度機械臂控製係統，對我（wǒ）國機械臂控製（zhì）係統研究有著極大現實意義。

1 六自由度機械臂研究發展簡析

六自由度機（jī）械臂也就是（shì）多自由度機械臂，其屬於典型的強耦合多（duō）輸入/輸出（chū）的非線性係統，可以說目前對（duì）機械臂軌跡（jì）快速跟蹤控製研究較多，但其間許多重點還未被（bèi）突破，麵臨諸多（duō）問題。具體而言，機械臂建模及機械臂（bì）控製係統研究是十分關鍵的。

六自由度機械臂絕大多數都是工業型機器人，其可實現自動搬運和裝（zhuāng）配，且可以自動焊（hàn）接與（yǔ）噴塗。固高科技 GＲB 係統的（de）六自由度機器人可謂是固高成熟健全的運動控（kòng）製技術，其間具備先進的設計及教學理念，可充分滿足工業現場的各方麵要求，更是教學及科研（yán）機構運動規劃的關鍵（jiàn）內容，亦是編程係統（tǒng）設計最為適宜的對象。

機械臂建模是基於機械（xiè）臂（bì）的相關特點而實現的，往往機械臂分布質量為三（sān）維的，且其屬多（duō）自（zì）由度（dù）結構，以牛頓力學得出機械臂動力學方程式十分困難的，但是基於（yú）拉格開朗（lǎng）日力學則僅獲得相應的能量項，且於許多條件下（xià）應用十分方便; 機械臂控製係統的研究所采用的方式多是模糊自適（shì）應控製及（jí）神經（jīng）網絡自（zì）適應控製，亦或者是魯棒自適應控製和滑模變結構控製，不過（guò）這些方式（shì）實現過程非常（cháng）複雜。而逆係（xì）統方式屬於反饋線性化方式，其強調以對象逆（nì）係統建立可用反饋化方（fāng）式實現的 α 階積分逆係統，主（zhǔ）要是將對（duì）象補償（cháng）為線性傳遞關係係統，也（yě）就是偽線性係統，之後基於此設計控製（zhì）器。

2.六（liù）自由度機械臂結構與 PLC 控製（zhì）係統

2. 1 六自由度機械臂結構

六自（zì）由度機械臂是以六關節串聯形成的結構，其關節傳動是采用絕對編碼器電機和精密諧波（bō）減速器（qì）而實現的。小臂（bì）位置會裝設相應的（de）攝像頭和氣動工具（jù），這些都是其非常關鍵（jiàn）的（de）外部設備接口，且提供相應的電氣接口，用戶也能進行相應的功能擴展。機械臂控製多是集成了 PC 技術及圖像技術和邏輯（jí）控製等，其間還采用專業運動控製技術 VME 運動控製器，其性能（néng）可靠穩定且速度快、精度高。如圖 1 所示，六自由度機械臂簡視圖。

2. 2 PLC 控製係（xì）統

PLC 控製被（bèi）應用（yòng）於各大領域，此類控製係統適應性強，且極具抗幹擾能力（lì），應用（yòng）便捷且簡單，該控製係統應用於機械中（zhōng）意義重（chóng）大。比如用於中央空（kōng）調的（de） PLC 係統，其可實現數據（jù）顯示（shì）和控製及連鎖，同時可保護整個空調係統運行安全，數據顯示功能可（kě）將空調冷（lěng）水出入口及冷卻水出入口溫度有（yǒu）效顯示，還有其蒸汽（qì）閥門開度及溶液泵等數據顯示。可幫助人（rén）們及（jí）時發現其間存（cún）在的問題，並長時間儲存數據，這也是空調發展與研究必不可少的數據支撐; 其控製功能運行方式主（zhǔ）要是軟手動及就地手動（dòng）和自動這三種，而以這三（sān）種功能所構建的空調設備可實現合理調節及快速啟動，從而更好地控製空調開關及運行速度，充分降低能源消耗，以此提升空調的環保性，且強化其經濟性及安全（quán）性。因此，可以說（shuō） PLC 控製係統功能強（qiáng）大且安全可靠，靈活性（xìng）很（hěn）大，應用於機械中的效果及作用一定是很好的。如圖 2 所示，PLC 控（kòng）製係統整體框架簡視圖。

3.基（jī）於（yú） PLC 控製的六自由度機械臂控製（zhì）

3. 1 控製係統（tǒng）構成

基於 PLC 控（kòng）製係統的六自（zì）由度機（jī）械臂設計十（shí）分靈活，其伸縮（suō）擴展很容易實現（xiàn），可以說（shuō）它（tā）的關量控製非常良好，更適宜（yí）於六自由度機械臂設計。且其可實現 PID 回路連續運行，與上位機構能夠（gòu）充分結合，從而形成複雜且多功能的控製係統，比如直接數字控製和分布（bù）式控製係（xì）統。PLC 控製係統應用於（yú）六自由度機械臂設計中，可（kě）實現產品生產過程（chéng）全（quán）方位自動化，以此快速提升生產效率，從而提高生產速度，為相關（guān）企業節省人力資源及各方麵成本。

3. 2 基於 PLC 控製係統（tǒng）的使用

基於（yú） PLC 控製係統具備非常強大的功能，其所采用的（de）編程非常簡（jiǎn）單，且操作便捷。這裏強調的是以簡（jiǎn）單明確的梯形圖及（jí）語句表和邏輯圖實現語言編程，其間（jiān）不（bú）需要過（guò）多的計算機與相（xiàng）關技術，簡（jiǎn）單的學習之後則可充分（fèn）了解其各（gè）項開發及應（yīng）用。同時其所需的開發時間短，可短時間之內（nèi）實現 PLC 開發及應用（yòng），從而合理節約了生產實踐，使得機械臂現場調試簡單有效，可促使機械臂（bì）功能及其組裝等（děng）方麵內容（róng）快速健全，可確（què）保後續檢（jiǎn）修及養護工作更適宜操作。再是基於 PLC 控製（zhì）係統的機械臂可實現在線程序更改，從（cóng）而改（gǎi）善傳統控製方案改進的有效性，確保相應的控製方案更加快速地更改，為相關企業節約更（gèng）多（duō）的人力資源及物力資源，推動企業生產速度，且在此過程（chéng）中盡（jìn）可能地避免其間出現各方麵問題。

3. 3 基於 PLC 控製係統的環境適應性（xìng）

基於 PLC 控製係統可更好地適應諸多惡劣環境（jìng），強化機械臂適應力，且提（tí）高了其抗幹擾能力，確保機械臂運作更為（wéi）安全可靠，這樣（yàng）會比同類機械比較效果更好。且使（shǐ）得（dé）機械臂於更多的環境下（xià）工作和生（shēng）產，甚至（zhì）是非常（cháng）惡劣的環境中也能夠合理避免其間各方麵影響因素，這樣也能保證生產人員安全生產。基於 PLC 控製係統的機械臂生產效率及生產寬度被合理提升，其能夠快速完成許多人力都（dōu）不能完成的工作，從而推動生產力（lì）的進一步提升，這（zhè）樣也能更好地提升（shēng）中國在國際上的競爭力，以便提升我（wǒ）國在國際上的地位。具體而言，基於 PLC 控製係（xì）統在運行時（shí），其主（zhǔ）要是分為三個階段，這裏強調的（de）是輸入采樣及輸出刷新與用戶程序的全麵執行。其（qí）間所蘊（yùn）含（hán）的階段強（qiáng）調的是 PLC 控製係統工作周期的全方位掃（sǎo）描，在此過程中，可（kě）按照相應的掃描速度進行連續不斷的（de）循（xún）環（huán）掃描（miáo）; 我國氣動控製及電動接卸領域對 PLC控（kòng）製係統的應用十分（fèn）廣泛，且此類技術亦推動了閥島技術發展，機械臂領域對此（cǐ）的應用亦是非常廣泛，該控（kòng）製係統使得機械臂操作更簡單便捷，同時其功能也被不斷擴大。

4.基於（yú） PLC 的六自由度機械臂控製係統設（shè）計實現（xiàn）

4. 1 係統硬件設（shè）計

六自由度機械臂控（kòng）製係統設計主要是由工控機及 PLC與觸摸（mō）屏，加上伺服驅（qū）動（dòng）器及同步交流電機（jī）與編碼器構成。工控機及觸摸屏屬於監控層（céng），其主要作用是監控機械臂運（yùn）行情況，而 PLC 屬於控製層用戶可於工控機中編寫程（chéng）序（xù），同時將其下載至 PLC 中，從而更好地控製 PLC 伺（sì）服驅（qū）動，保證其間各個伺服電機能夠合理（lǐ）協調，並實（shí）現同步運行。

4. 2 係統軟件設計

4. 2. 1 PLC 軟件（jiàn）設計（jì）

控製（zhì）係統程序運用的是模塊化編程思想，從而（ér）把驅動參數（shù）快速初始化，這時機械臂（bì）可快速回到原點，再采用運動學正解（jiě）及反解和路徑規劃實現程序功能塊，而這些都是非常重要的子程序，從而保證程序結構更夠清晰且（qiě）快（kuài）速修改。

4. 2. 2 運動學正反解算法設計

其間采用的（de）伺服電機應改變（biàn）轉角來驅動機械臂工作，要將平動盤位置合（hé）理定（dìng）位，同時並聯機械臂係統，這裏強調的是將其與電機轉角準確轉換，而（ér）其間互相轉換主要是運（yùn）動學正解算法及（jí）運動學反解算法這兩方（fāng）麵: 正解算法則是其間所采用的各台伺（sì）服電機轉角可推（tuī）算平（píng）動盤（pán）於（yú）平麵中的位置; 反解算法（fǎ）則強調（diào）的是以平麵中（zhōng）平（píng）動盤（pán）合理推算電機中軸的旋轉角（jiǎo）度。

4. 2. 3 人機界麵設計

通（tōng）常是選擇合理的監控程序設計監控軟件，以機械臂控製係統對監控功能提出的要求（qiú）。具體而言，監控係統主要是下述幾方麵構成: 其一，主界麵。主（zhǔ）界（jiè）麵可全麵顯示六自由度（dù）並聯機械臂的實際結（jié）構，還有其電機左右抱閘（zhá）控製及伺服鎖定控製，且采用指示燈來指示狀態（tài），從而及時觀測（cè）機械臂實時位置; 其二，自動控製界麵。此界麵中具備機械（xiè）臂的自動運行按鍵，比如自動啟動及（jí） STOP 等（děng）類按鈕，亦可設置自動運行中的許多位（wèi）置和屏障高度，且此界麵還應設置適（shì）宜（yí）的鐵片，其厚（hòu）度應適宜六自由度機械（xiè）臂控製（zhì），還有其循環次（cì）數及運動速度等類參數; 其三，手動控製界麵。該界麵可實現機械臂的手動操作，比如其（qí）相應的點動，並嚴格指定相關位置絕（jué）對移動; 其四（sì），報警（jǐng）界麵。此界麵主要是以（yǐ）指示燈（dēng）指示相應的（de）方向，警示（shì）其越限（xiàn）和軸錯誤，同（tóng）時設置相應（yīng）的按鈕（niǔ），如果出現越限警報，則可及時按（àn）下清除按鈕（niǔ）將機械臂恢（huī）複於原始（shǐ）位（wèi）置。

5.結束語

隨著國家經濟水平的（de）快速提升，科學技術亦隨（suí）之飛（fēi）速發展，各類（lèi）高性能（néng）及多功能機械被研（yán）發和應用。基（jī）於 PLC 控製係統的六自由度機械臂快速推（tuī）動了我國（guó）機械臂功能水平（píng）的提升，且促進了我國六自由度機械（xiè）臂（bì）的進一（yī）步發展（zhǎn），可推動我國工業生產及機械製造業的快速（sù）發展，以此促進我國經濟水平的快速提升，從而提升我國在國際上的競爭力，同時也提高了我國（guó）的（de）國際地（dì）位。本文對六自由度機械臂（bì）研究（jiū）發（fā）展進行了簡析，並探討了六自由（yóu）度機械臂結構與 PLC 控製係統，全麵分析了基於 PLC 控製的六自（zì）由度機械臂（bì）控製，對基於 PLC 的六自由度（dù）機械臂控（kòng）製係統設（shè）計進行了實現分析，為我國機械臂控製係統設計水平的提升提供可靠的（de）理論性（xìng）依據。

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