基于PLC的工业机器人系统设计研究

基于PLC的工业机器人系统设计研究

朱冠军

关键词：PLC；工业机器人；系统设计；码垛机器人

1.PLC控制工业机器人系统的功能

近几年来，随着科学技术的不断发展，基于PLC控制的工业机器人系统的研究已经进入了关键阶段，实现基于PLC控制的工业机器人系统在生产中的应用也成为了现实。由于PLC控制的工业机器人系统可以在工业生产之中发挥重要作用，PLC控制的工业机器人系统在工业生产中的应用水平已经成为了衡量工业自动化领域发展水平的关键因素之一。基于PLC控制的工业机器人系统可以使得工业机器人在PLC系统的控制之下，自动地完成工业生产过程之中要进行的多功能型任务。除此之外，基于PLC控制的工业机器人系统还可以完胜一系列的工业生产工作，有效地实现机电一体化生产。

2.基于PLC的工业机器人系统设计要点

2.1控制系统硬件设计

基于PLC的机器人装置包括抓取、搬运、以及装配在内的一系列动作均需要在气缸驱动作用之下实现。而电磁阀部件作为控制气缸驱动动作的最主要部件，通过操作开关（以按钮开关或者是定位开关）的方式来实现。换句话来说，基于PLC的机器人装置控制是建立在电磁阀部件与多个行程开关装置相互配合基础之上所实现的，属于特征显著的开关量控制方式。在整个机器人装置结构当中，共设置有两个工作台。在操作过程中，被加工工件自初始位置达到1#工作台，将待操作工件传输至2#工作台，进而再次回到1#工作台，完成对下一工件的操作。

机器人装置自初始位置，手腕向下移动，操作手指夹紧1#工作台上待操作的工件，进而对其进行上行移动。到位之后，机器人手指、手腕在手臂引导下沿右侧轨迹移动，移动至预定位置后再次沿下行轨迹移动，最后控制机器人装置手指放松，并将该工件放置于2#工作台当中。再次回到1#工作台的动作顺序与上述流程相反，进而实现一个完整的工作周期循环。整个机器人自动控制装置的最突出特点在于：能够同时适用于手动型、以及连续型的操作控制方式。当中设计的核心就在于操作PLC完成的输入点/输出点的分配工作。

2.2控制系统软件设计

2.2.1在有关机器人程序初始化处理过程当中，基于PLC的机器人装置在上电状态下需要完成一系列的初始化操作动作。其主要目的在于准备后续动作的实施，防止机器人自动控制系统装置因直接投入运行而出现的误动动作。在初始化程序操作指令的编程方面，选取初始状态ISL指令，以此种方式达到简化编程步骤的目的。

2.2.2在有关机器人自动控制系统手动运行模式的设计过程当中，分别控制手动按钮所对应的机器人手指、手臂、手腕动作。手动运行模式主要应用于对机器人装置的维修以及调整过程当中。首先，需要将开关置于手动开关模式当中，通过对手指部件的接通，下降机械手臂，并以同样的方式完成机器人手臂、手腕、手指各项移动、松紧操作。为了保障系统的安全稳定运行，程序设计当中还需要设置必要的联锁保护。

2.2.3在有关机器人自动控制系统自动运行模式的设计过程当中，需要以机器人装置的基本工作过程为依据，确定各相关动作相互之间的对应关系。当机器人装置处于初始状态，并检测到工作台存在待处理工件的情况下，展开自动控制动作。

3.基于PLC的工业码垛机器人系统设计实例分析

工业码垛机器人属于典型的机电一体化高科技产品，其中控制系统是工业码垛机器人最为重要的组成部分，对机器人码垛功能的实现及作业性能的保障起着至关重要的作用。下面，本节主要探讨一种基于PLC控制的工业机器人系统设计，该控制系统以触摸屏为人机交互界面，以横河FA-M3PLC为控制系统核心。

该工业码垛机器人采用平衡吊机构形式，具有结构简单、使用方便、维护节省的优点。该机器的基本性能参数如下：

①本体质量：1000kg；最大抓取质量：60kg；搬运速度：30m/min；堆码速度：20次/min。

②工作范围：水平作业半径为2.5m，垂直作业高度为2.4m。

③连续运转时间不小于24h，连续运转8h累积误差不超过±5mm。

3.1硬件设计

由于该工业码垛机器人控制系统的核心是横河FA-M3PLC。该PLC功能多、性能好、处理速度快和扩展能力强，主要完成伺服电机驱动、示教功能及其它外围I/O量的处理等任务。FA-M3PLC采用模块化设计，可根据不同任务需求采用不同的模块。本机器人控制系统需要采用：电源模块、CPU模块、数字量模块、位置控制模块和通信模块等。其中位置控制模块F3NC34根据来自CPU模块的命令，生成位置定位用的轨迹，以脉冲串的形式输出位置命令值。按照输出脉冲串的数量指定电机的旋转角度，按照频率指定电机的旋转速度，同时接收编码器的反馈值，构成闭环控制。码垛机器人位置控制原理如图1所示。

图1位置模块运行原理示意图

3.2控制系统软件设计

人机交互软件的编写采用触摸屏自带编写软件，界面通俗易懂，适合工厂化环境使用，且成本低廉。各模块功能如下：

初始化模块：负责码垛机器人控制系统启动和程序初始化，监测控制系统各单元是否工作正常并及时反馈；

示教模块：完成机器人的位置示教，生成示教指令文件；

监控模块：监控机器人的工作，显示机器人的工作状态；

文件处理模块：管理各种文件，包括文件的调用、改名和删除、复制等；

参数设置模块：进行机器人控制参数以及机器人结构参数等可调参数的设置、控制系统I/O的设置和管理。

结束语：基于PLC的机器人自动控制系统的设计理念的提出是符合现今工厂生产要求不断提高，机器人装置负载量增加的环境，简化机器人自动控制系统的操作以及运行，提升机器人自动控制系统的工作效率以及工作质量。

参考文献

[1]田鹏飞，李宁.基于PLC的工业机器人系统设计[J].城市建设理论研究.2014

[2]陈东青，邝禹聪.三菱PLC与广州数控工业机器人的应用[J].机械工程师.2013.

[3]马芳玲.基于PLC的机器人自动控制系统的设计[J].科技信息.2012.