基于PLC的关节型机器人控制系统设计剖析

基于PLC的关节型机器人控制系统设计

孙利娟，刘玉锋

中国农业大学工学院，北京（100083）

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摘要：本文设计了一种4自由度关节型机器人，介绍了该机器人的总体结构和控制系统，论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序设计。关键词：关节型机器人；PLC；控制系统

中图分类号：TH-39

1. 引言

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。随着国民经济的发展、我国机器人市场潜力日益增大， 2006年机器人拥有量增至近万台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主。据有关专家预测，2010年我国机器人拥有量为17300台，到2015年机器人市场容量约达十几万台套[1]。本文设计的机械人是4自由度关节型，由液压驱动, 运行平稳, 工作力矩大。通过限位开关、压力继电器采集信号, 再由PLC 控制液压系统的电磁换向阀, 来控制机器人

的动作和位置。由于可编程控制器具有抗干扰能力强、可靠性高、易于使用和维护等特点, 所以, 以PLC 为核心的这套控制系统运行非常稳定。

2. 机器人本体设计

在本次设计中，机械人的主要功能是：识别并抓取工件，然后将工件放到指定位置；主要动作包括：夹紧、提升、平行移动、下降、松开，回到原位置。其本体设计如图1所示，其结构包括以下四个部分：

图1 机器人本体结构图图2 腕部设计结构图

2.1 手部

手部是机械手的关键部件，是用来抓取工件或握持工件的机构。由于抓取的对象结构复杂多样，手部机构的种类也多种多样。本设计选用了齿轮尺条平行连杆式钳爪（见图1）， -1-

该机构具有工件受力均匀，结构简单等优点。驱动采用气压驱动的方式。气压源容易获取，

一般工厂都有。而且目前气压缸已逐步形成系列，方便购买和更换[2]。

2.2 腕部

腕部是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手工作机

能的部件，它同时也是手部和臂部的连接构件，可做回转、摆动和俯仰等运动。俯仰运动由

电动机带动传动轴1，通过齿轮2、4转动、从而带动传动轴4转动，轴4带动手腕俯仰实

现；回转运动由电动机带动传动轴9，通过齿轮8、7、6，带动手腕回转实现（见图2）。

2.3 小臂

小臂机构设计的工作原理是（如图3所示），电机5、6分别通过谐波减速器减速后，

由传动轴经齿轮机构，带动腕部实现仰俯和回转运动。小臂与大臂部分的连接位置位于小臂

1/4处，小臂与大臂之间无自由度，两个电机置于小臂末端，可起到配重块的作用。其中腕

部可以在其能到达的任何位置静止，这通过安装在小臂部位的制动器实现。

图3 小臂结构设计

2.4 大臂肘关节

大臂肘关节设计如图4所示，

其功能是实现仰俯运动，且只有1个自由度。采用齿轮减速机构，电机带动齿轮机构，齿轮机构末端大齿轮与大臂上半部分固定卡死，以实现带动机械手大臂以上部位实现仰俯运动。其中齿轮采用二级传动，可起到减速作用。大臂部位的制动与腕部制动一样，采用电磁式制动器。

图4 大臂结构设计图

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3. 控制系统的硬件设计

图5 PLC硬件接线图

本次设计中选用了西门子S7-200系列机CPU226型，其输入、输出接口将能满足控制要求。其硬件接线图如图5所示。为了保护PLC 输出继电器, 在电磁铁的两端各并联一阻容吸收电路, 防止在感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC 输出点及内部电源的冲击[3]。

采用PLC控制电动机带动机械手做点对点运动，选用光电脉冲编码器作为传感器来反馈信号。在机械手的手腕回转电机、手腕仰俯电机中，由于是电动机与谐波减速器减速之后直接带动，光电编码器直接安装于机械手控制上。光电编码器的输出直接通过PLC的高速记数单元与PLC进行连接，PLC再通过高速记数单元将控制信号发送给电机。

4. 控制系统的软件设计

机器人有手动和自动两种工作方式。在手动操作方式下, 各种动作都是用按钮控制来实现, 其控制程序可单独设计, 与自动工作方式控制程序相对独立。因此总程序设计成两段独立的部分：自动操作程序和手动操作程序。

手动操作主要用于检修调整, 通过按钮对机器人的每一步动作进行单独控制。例如, 当选择小臂伸/ 缩运动时, 按下启动按钮, 小臂伸出；按下停止按钮, 小臂缩回。其它动作以此类推。这样, 其控制较简单, 可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计[4]。

在正常运行时, 机器人处于自动操作方式。光耦合器检测到工件，机械手臂开始由原点 -3-

下降，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件，为保证工件可靠加紧在该位置等待5s。夹紧后，手臂上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向顺时针回转90°，碰到顺转限位开关停止回转，改为手臂前伸，前伸碰到前限位开关，停止前伸，改为下降至下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在目标位上，为确保可靠松开，在该位置停留5s，然后手臂缩回碰到后限位开关，后电磁阀断电后改为上升，上升至原点碰到限位开关停止，上升电磁阀断电。机械手回转到原位，回转电磁阀断电，停止回转。至此，机械手搬运一个工件的全过程结束。机器人又重复上述动作。这是一个典型的按顺序动作的步进控制系统, 可用PLC 的步进指令编程。图6 为机器人的自动操作程序的状态转移图。

图6 机器人自动操作程序图

5．总结

机器人采用PLC控制技术，其电气控制系统线路简单，系统的可靠性高, 功能强, 整个系统运行稳定、精确, 同时还可根据需要对其进行功能扩展。

参考文献

[1] [2] [3] [4]

顾震宇．全球机器人产业现状与趋势［J］．机电一体化，2006，(2)：6-9．李允文．工业机械手设计［M］.北京：机械工业出版社，1998．

曹辉，霍罡．可编程控制器系统原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2003．李新纲．挖掘机器人自动控制系统设计［J］．机械工程与自动化，2004，(5)：26-28．

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The Control System Design of Joint-Robot Based on PLC Sun Lijuan，Liu Yufeng

College of Engineering ,China Agricultural University, Beijing, PRC,(100083) Abstract

This paper provides a four-degree joint-robot based on PLC.The frame of joint-robot and the control system are given in the paper.It discusses how to design the hardware of electric control system, the structure of controlling software, manual controlling programand automatic programin detail. Keywords：Joint-Robot；PLC；Control system

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