基于 PLC 的六自由度机械臂控制系统研究
2017-6-27 来源：黄河交通学院 作者：屈晓莉，李炎粉
摘要: 六自由度机械臂是强耦合非线性，该特性增加了机械臂的控制难度，这时应对基于 PLC 的六自由度机械臂控制系统进行全面分析，以找出相应的解决措施，保证六自由度机械臂可被更好的控制。本文基于自动化生产线中的六自由度机械臂作为研究对象，对此提出了合理的控制系统，确保六自由度机械臂能够高效且平稳的运行。
关键词: PLC; 六自由度; 机械臂; 控制系统
0.引言
机械臂可根据一定的程序和轨迹模仿人手部的部分动作要求，从而展开自动抓取和搬运，其操作系统是自动化装置，且机械臂对控制实时性要求极高。随着科学技术的发展飞速，传统机械臂控制系统早已适应不了现代化的要求，早期基于 PLC 的机械臂控制系统输入 /出较为缓慢，且其间所采用的算法冗余过多，造成程序扫描时间太长，从而导致电机控制实时性缺失。因此，分析基于 PLC 的六自由度机械臂控制系统，对我国机械臂控制系统研究有着极大现实意义。
1 六自由度机械臂研究发展简析
六自由度机械臂也就是多自由度机械臂，其属于典型的强耦合多输入/输出的非线性系统，可以说目前对机械臂轨迹快速跟踪控制研究较多，但其间许多重点还未被突破，面临诸多问题。具体而言，机械臂建模及机械臂控制系统研究是十分关键的。
六自由度机械臂绝大多数都是工业型机器人，其可实现自动搬运和装配，且可以自动焊接与喷涂。固高科技 GＲB 系统的六自由度机器人可谓是固高成熟健全的运动控制技术，其间具备先进的设计及教学理念，可充分满足工业现场的各方面要求，更是教学及科研机构运动规划的关键内容，亦是编程系统设计最为适宜的对象。
机械臂建模是基于机械臂的相关特点而实现的，往往机械臂分布质量为三维的，且其属多自由度结构，以牛顿力学得出机械臂动力学方程式十分困难的，但是基于拉格开朗日力学则仅获得相应的能量项，且于许多条件下应用十分方便; 机械臂控制系统的研究所采用的方式多是模糊自适应控制及神经网络自适应控制，亦或者是鲁棒自适应控制和滑模变结构控制，不过这些方式实现过程非常复杂。而逆系统方式属于反馈线性化方式，其强调以对象逆系统建立可用反馈化方式实现的 α 阶积分逆系统，主要是将对象补偿为线性传递关系系统，也就是伪线性系统，之后基于此设计控制器。
2.六自由度机械臂结构与 PLC 控制系统
2. 1 六自由度机械臂结构
六自由度机械臂是以六关节串联形成的结构，其关节传动是采用绝对编码器电机和精密谐波减速器而实现的。小臂位置会装设相应的摄像头和气动工具，这些都是其非常关键的外部设备接口，且提供相应的电气接口，用户也能进行相应的功能扩展。机械臂控制多是集成了 PC 技术及图像技术和逻辑控制等，其间还采用专业运动控制技术 VME 运动控制器，其性能可靠稳定且速度快、精度高。如图 1 所示，六自由度机械臂简视图。
2. 2 PLC 控制系统
PLC 控制被应用于各大领域，此类控制系统适应性强，且极具抗干扰能力，应用便捷且简单，该控制系统应用于机械中意义重大。比如用于中央空调的 PLC 系统，其可实现数据显示和控制及连锁，同时可保护整个空调系统运行安全，数据显示功能可将空调冷水出入口及冷却水出入口温度有效显示，还有其蒸汽阀门开度及溶液泵等数据显示。可帮助人们及时发现其间存在的问题，并长时间储存数据，这也是空调发展与研究必不可少的数据支撑; 其控制功能运行方式主要是软手动及就地手动和自动这三种，而以这三种功能所构建的空调设备可实现合理调节及快速启动，从而更好地控制空调开关及运行速度，充分降低能源消耗，以此提升空调的环保性，且强化其经济性及安全性。因此，可以说 PLC 控制系统功能强大且安全可靠，灵活性很大，应用于机械中的效果及作用一定是很好的。如图 2 所示，PLC 控制系统整体框架简视图。
3.基于 PLC 控制的六自由度机械臂控制
3. 1 控制系统构成
基于 PLC 控制系统的六自由度机械臂设计十分灵活，其伸缩扩展很容易实现，可以说它的关量控制非常良好，更适宜于六自由度机械臂设计。且其可实现 PID 回路连续运行，与上位机构能够充分结合，从而形成复杂且多功能的控制系统，比如直接数字控制和分布式控制系统。PLC 控制系统应用于六自由度机械臂设计中，可实现产品生产过程全方位自动化，以此快速提升生产效率，从而提高生产速度，为相关企业节省人力资源及各方面成本。
3. 2 基于 PLC 控制系统的使用
基于 PLC 控制系统具备非常强大的功能，其所采用的编程非常简单，且操作便捷。这里强调的是以简单明确的梯形图及语句表和逻辑图实现语言编程，其间不需要过多的计算机与相关技术，简单的学习之后则可充分了解其各项开发及应用。同时其所需的开发时间短，可短时间之内实现 PLC 开发及应用，从而合理节约了生产实践，使得机械臂现场调试简单有效，可促使机械臂功能及其组装等方面内容快速健全，可确保后续检修及养护工作更适宜操作。再是基于 PLC 控制系统的机械臂可实现在线程序更改，从而改善传统控制方案改进的有效性，确保相应的控制方案更加快速地更改，为相关企业节约更多的人力资源及物力资源，推动企业生产速度，且在此过程中尽可能地避免其间出现各方面问题。
3. 3 基于 PLC 控制系统的环境适应性
基于 PLC 控制系统可更好地适应诸多恶劣环境，强化机械臂适应力，且提高了其抗干扰能力，确保机械臂运作更为安全可靠，这样会比同类机械比较效果更好。且使得机械臂于更多的环境下工作和生产，甚至是非常恶劣的环境中也能够合理避免其间各方面影响因素，这样也能保证生产人员安全生产。基于 PLC 控制系统的机械臂生产效率及生产宽度被合理提升，其能够快速完成许多人力都不能完成的工作，从而推动生产力的进一步提升，这样也能更好地提升中国在国际上的竞争力，以便提升我国在国际上的地位。具体而言，基于 PLC 控制系统在运行时，其主要是分为三个阶段，这里强调的是输入采样及输出刷新与用户程序的全面执行。其间所蕴含的阶段强调的是 PLC 控制系统工作周期的全方位扫描，在此过程中，可按照相应的扫描速度进行连续不断的循环扫描; 我国气动控制及电动接卸领域对 PLC控制系统的应用十分广泛，且此类技术亦推动了阀岛技术发展，机械臂领域对此的应用亦是非常广泛，该控制系统使得机械臂操作更简单便捷，同时其功能也被不断扩大。
4.基于 PLC 的六自由度机械臂控制系统设计实现
4. 1 系统硬件设计
六自由度机械臂控制系统设计主要是由工控机及 PLC与触摸屏，加上伺服驱动器及同步交流电机与编码器构成。工控机及触摸屏属于监控层，其主要作用是监控机械臂运行情况，而 PLC 属于控制层用户可于工控机中编写程序，同时将其下载至 PLC 中，从而更好地控制 PLC 伺服驱动，保证其间各个伺服电机能够合理协调，并实现同步运行。
4. 2 系统软件设计
4. 2. 1 PLC 软件设计
控制系统程序运用的是模块化编程思想，从而把驱动参数快速初始化，这时机械臂可快速回到原点，再采用运动学正解及反解和路径规划实现程序功能块，而这些都是非常重要的子程序，从而保证程序结构更够清晰且快速修改。
4. 2. 2 运动学正反解算法设计
其间采用的伺服电机应改变转角来驱动机械臂工作，要将平动盘位置合理定位，同时并联机械臂系统，这里强调的是将其与电机转角准确转换，而其间互相转换主要是运动学正解算法及运动学反解算法这两方面: 正解算法则是其间所采用的各台伺服电机转角可推算平动盘于平面中的位置; 反解算法则强调的是以平面中平动盘合理推算电机中轴的旋转角度。
4. 2. 3 人机界面设计
通常是选择合理的监控程序设计监控软件，以机械臂控制系统对监控功能提出的要求。具体而言，监控系统主要是下述几方面构成: 其一，主界面。主界面可全面显示六自由度并联机械臂的实际结构，还有其电机左右抱闸控制及伺服锁定控制，且采用指示灯来指示状态，从而及时观测机械臂实时位置; 其二，自动控制界面。此界面中具备机械臂的自动运行按键，比如自动启动及 STOP 等类按钮，亦可设置自动运行中的许多位置和屏障高度，且此界面还应设置适宜的铁片，其厚度应适宜六自由度机械臂控制，还有其循环次数及运动速度等类参数; 其三，手动控制界面。该界面可实现机械臂的手动操作，比如其相应的点动，并严格指定相关位置绝对移动; 其四，报警界面。此界面主要是以指示灯指示相应的方向，警示其越限和轴错误，同时设置相应的按钮，如果出现越限警报，则可及时按下清除按钮将机械臂恢复于原始位置。
5.结束语
随着国家经济水平的快速提升，科学技术亦随之飞速发展，各类高性能及多功能机械被研发和应用。基于 PLC 控制系统的六自由度机械臂快速推动了我国机械臂功能水平的提升，且促进了我国六自由度机械臂的进一步发展，可推动我国工业生产及机械制造业的快速发展，以此促进我国经济水平的快速提升，从而提升我国在国际上的竞争力，同时也提高了我国的国际地位。本文对六自由度机械臂研究发展进行了简析，并探讨了六自由度机械臂结构与 PLC 控制系统，全面分析了基于 PLC 控制的六自由度机械臂控制，对基于 PLC 的六自由度机械臂控制系统设计进行了实现分析，为我国机械臂控制系统设计水平的提升提供可靠的理论性依据。
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