基于PLC的关节型机器人控制系统设计

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）

E-mail：sunlijuan83@

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），

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

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

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]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．

[2]李允文．工业机械手设计［M］.北京：机械工业出版社，1998．

[3]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．

[4]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．