基于 PLC 的六自由度機械臂控制系統研究
2017-6-27 來源：黃河交通學院 作者：屈曉莉，李炎粉
摘要: 六自由度機械臂是強耦合非線性，該特性增加了機械臂的控制難度，這時應對基于 PLC 的六自由度機械臂控制系統進行全面分析，以找出相應的解決措施，保證六自由度機械臂可被更好的控制。本文基于自動化生產線中的六自由度機械臂作為研究對象，對此提出了合理的控制系統，確保六自由度機械臂能夠高效且平穩的運行。
關鍵詞: PLC; 六自由度; 機械臂; 控制系統
0.引言
機械臂可根據一定的程序和軌跡模仿人手部的部分動作要求，從而展開自動抓取和搬運，其操作系統是自動化裝置，且機械臂對控制實時性要求極高。隨著科學技術的發展飛速，傳統機械臂控制系統早已適應不了現代化的要求，早期基于 PLC 的機械臂控制系統輸入 /出較為緩慢，且其間所采用的算法冗余過多，造成程序掃描時間太長，從而導致電機控制實時性缺失。因此，分析基于 PLC 的六自由度機械臂控制系統，對我國機械臂控制系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
六自由度機械臂也就是多自由度機械臂，其屬于典型的強耦合多輸入/輸出的非線性系統，可以說目前對機械臂軌跡快速跟蹤控制研究較多，但其間許多重點還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，機械臂建模及機械臂控制系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配，且可以自動焊接與噴涂。固高科技 GＲB 系統的六自由度機器人可謂是固高成熟健全的運動控制技術，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面要求，更是教學及科研機構運動規劃的關鍵內容，亦是編程系統設計最為適宜的對象。
機械臂建模是基于機械臂的相關特點而實現的，往往機械臂分布質量為三維的，且其屬多自由度結構，以牛頓力學得出機械臂動力學方程式十分困難的，但是基于拉格開朗日力學則僅獲得相應的能量項，且于許多條件下應用十分方便; 機械臂控制系統的研究所采用的方式多是模糊自適應控制及神經網絡自適應控制，亦或者是魯棒自適應控制和滑模變結構控制，不過這些方式實現過程非常復雜。而逆系統方式屬于反饋線性化方式，其強調以對象逆系統建立可用反饋化方式實現的 α 階積分逆系統，主要是將對象補償為線性傳遞關系系統，也就是偽線性系統，之后基于此設計控制器。
2.六自由度機械臂結構與 PLC 控制系統
2. 1 六自由度機械臂結構
六自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減速器而實現的。小臂位置會裝設相應的攝像頭和氣動工具，這些都是其非常關鍵的外部設備接口，且提供相應的電氣接口，用戶也能進行相應的功能擴展。機械臂控制多是集成了 PC 技術及圖像技術和邏輯控制等，其間還采用專業運動控制技術 VME 運動控制器，其性能可靠穩定且速度快、精度高。如圖 1 所示，六自由度機械臂簡視圖。
2. 2 PLC 控制系統
PLC 控制被應用于各大領域，此類控制系統適應性強，且極具抗干擾能力，應用便捷且簡單，該控制系統應用于機械中意義重大。比如用于中央空調的 PLC 系統，其可實現數據顯示和控制及連鎖，同時可保護整個空調系統運行安全，數據顯示功能可將空調冷水出入口及冷卻水出入口溫度有效顯示，還有其蒸汽閥門開度及溶液泵等數據顯示?？蓭椭藗兗皶r發現其間存在的問題，并長時間儲存數據，這也是空調發展與研究必不可少的數據支撐; 其控制功能運行方式主要是軟手動及就地手動和自動這三種，而以這三種功能所構建的空調設備可實現合理調節及快速啟動，從而更好地控制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性。因此，可以說 PLC 控制系統功能強大且安全可靠，靈活性很大，應用于機械中的效果及作用一定是很好的。如圖 2 所示，PLC 控制系統整體框架簡視圖。
3.基于 PLC 控制的六自由度機械臂控制
3. 1 控制系統構成
基于 PLC 控制系統的六自由度機械臂設計十分靈活，其伸縮擴展很容易實現，可以說它的關量控制非常良好，更適宜于六自由度機械臂設計。且其可實現 PID 回路連續運行，與上位機構能夠充分結合，從而形成復雜且多功能的控制系統，比如直接數字控制和分布式控制系統。PLC 控制系統應用于六自由度機械臂設計中，可實現產品生產過程全方位自動化，以此快速提升生產效率，從而提高生產速度，為相關企業節省人力資源及各方面成本。
3. 2 基于 PLC 控制系統的使用
基于 PLC 控制系統具備非常強大的功能，其所采用的編程非常簡單，且操作便捷。這里強調的是以簡單明確的梯形圖及語句表和邏輯圖實現語言編程，其間不需要過多的計算機與相關技術，簡單的學習之后則可充分了解其各項開發及應用。同時其所需的開發時間短，可短時間之內實現 PLC 開發及應用，從而合理節約了生產實踐，使得機械臂現場調試簡單有效，可促使機械臂功能及其組裝等方面內容快速健全，可確保后續檢修及養護工作更適宜操作。再是基于 PLC 控制系統的機械臂可實現在線程序更改，從而改善傳統控制方案改進的有效性，確保相應的控制方案更加快速地更改，為相關企業節約更多的人力資源及物力資源，推動企業生產速度，且在此過程中盡可能地避免其間出現各方面問題。
3. 3 基于 PLC 控制系統的環境適應性
基于 PLC 控制系統可更好地適應諸多惡劣環境，強化機械臂適應力，且提高了其抗干擾能力，確保機械臂運作更為安全可靠，這樣會比同類機械比較效果更好。且使得機械臂于更多的環境下工作和生產，甚至是非常惡劣的環境中也能夠合理避免其間各方面影響因素，這樣也能保證生產人員安全生產?；?PLC 控制系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不能完成的工作，從而推動生產力的進一步提升，這樣也能更好地提升中國在國際上的競爭力，以便提升我國在國際上的地位。具體而言，基于 PLC 控制系統在運行時，其主要是分為三個階段，這里強調的是輸入采樣及輸出刷新與用戶程序的全面執行。其間所蘊含的階段強調的是 PLC 控制系統工作周期的全方位掃描，在此過程中，可按照相應的掃描速度進行連續不斷的循環掃描; 我國氣動控制及電動接卸領域對 PLC控制系統的應用十分廣泛，且此類技術亦推動了閥島技術發展，機械臂領域對此的應用亦是非常廣泛，該控制系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.基于 PLC 的六自由度機械臂控制系統設計實現
4. 1 系統硬件設計
六自由度機械臂控制系統設計主要是由工控機及 PLC與觸摸屏，加上伺服驅動器及同步交流電機與編碼器構成。工控機及觸摸屏屬于監控層，其主要作用是監控機械臂運行情況，而 PLC 屬于控制層用戶可于工控機中編寫程序，同時將其下載至 PLC 中，從而更好地控制 PLC 伺服驅動，保證其間各個伺服電機能夠合理協調，并實現同步運行。
4. 2 系統軟件設計
4. 2. 1 PLC 軟件設計
控制系統程序運用的是模塊化編程思想，從而把驅動參數快速初始化，這時機械臂可快速回到原點，再采用運動學正解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快速修改。
4. 2. 2 運動學正反解算法設計
其間采用的伺服電機應改變轉角來驅動機械臂工作，要將平動盤位置合理定位，同時并聯機械臂系統，這里強調的是將其與電機轉角準確轉換，而其間互相轉換主要是運動學正解算法及運動學反解算法這兩方面: 正解算法則是其間所采用的各臺伺服電機轉角可推算平動盤于平面中的位置; 反解算法則強調的是以平面中平動盤合理推算電機中軸的旋轉角度。
4. 2. 3 人機界面設計
通常是選擇合理的監控程序設計監控軟件，以機械臂控制系統對監控功能提出的要求。具體而言，監控系統主要是下述幾方面構成: 其一，主界面。主界面可全面顯示六自由度并聯機械臂的實際結構，還有其電機左右抱閘控制及伺服鎖定控制，且采用指示燈來指示狀態，從而及時觀測機械臂實時位置; 其二，自動控制界面。此界面中具備機械臂的自動運行按鍵，比如自動啟動及 STOP 等類按鈕，亦可設置自動運行中的許多位置和屏障高度，且此界面還應設置適宜的鐵片，其厚度應適宜六自由度機械臂控制，還有其循環次數及運動速度等類參數; 其三，手動控制界面。該界面可實現機械臂的手動操作，比如其相應的點動，并嚴格指定相關位置絕對移動; 其四，報警界面。此界面主要是以指示燈指示相應的方向，警示其越限和軸錯誤，同時設置相應的按鈕，如果出現越限警報，則可及時按下清除按鈕將機械臂恢復于原始位置。
5.結束語
隨著國家經濟水平的快速提升，科學技術亦隨之飛速發展，各類高性能及多功能機械被研發和應用?；?PLC 控制系統的六自由度機械臂快速推動了我國機械臂功能水平的提升，且促進了我國六自由度機械臂的進一步發展，可推動我國工業生產及機械制造業的快速發展，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，同時也提高了我國的國際地位。本文對六自由度機械臂研究發展進行了簡析，并探討了六自由度機械臂結構與 PLC 控制系統，全面分析了基于 PLC 控制的六自由度機械臂控制，對基于 PLC 的六自由度機械臂控制系統設計進行了實現分析，為我國機械臂控制系統設計水平的提升提供可靠的理論性依據。
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