CN103744354A - 用于制造机器人的plc控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造机器人的PLC控制***及控制方法，其中用于制造机器人的PLC控制***，包括x轴传感器、y轴传感器、z轴传感器、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器、PLC控制器和接口模块，所述x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器与PLC控制器的输入端电连接，所述x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器与PLC控制器的输出端电连接，所述接口模块和PLC控制器电连接。实现提供控制精度的优点。

Description

用于制造机器人的PLC控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，具体地，涉及一种用于制造机器人的PLC控制***及控制方法。

背景技术

目前在制造业加工流水线上，越来越多的岗位开始使用机器人代替传统的手工操作。使用机器人代替人进行流水线的装配、加工以及其他一些简单的重复性的操作动作，能够大幅度提高生产的可靠性以及生产的效率。而且使用机器人进行流水线的装配，可以保证产品质量非常稳定，很好地消除由于人工操作所带来的各种装配差异，尤其是不同的操作人员所产生的个性化的装配差异，因此目前在制造业流水线加工生产过程中，引入机器人实现加工装配具有十分广泛的应用前景。

然而当前使用机器人进行加工装配自动化时，最核心的待解决问题主要包括加工机器人的机械设计，加工机器人的自动控制。其中对加工机器人的自动控制是一门综合计算机、人工智能、自动控制等多个领域的专业知识，才能够解决的问题。针对这一问题，最有效的途径是利用计算机和自动化控制相关技术开发和设计自动控制程序，使得机器人在加工制造过程中能够按照预先设定的程序规则，智能地识别当前流水线中的加工状态，并自动地调整加工动作以及规划后续的加工动作，最终完成对特定任务的加工要求。目前最有效的途径是采用基于PLC的自动控制技术实现加工机器人的自动控制。而且，使用PLC自动控制技术也是相对成熟的控制技术，有着十分丰厚的理论和实践研究基础，近年来国内外使用PLC控制技术实现加工控制的应用也很多，比如：王增娣,薛林通过液压机械手的结构和过程,并编写了FX1N-24MT的控制程序。采用浇灌装置，实现了设备的可靠性和灵活性。徐玉龙针对传统提升机的控制方式繁琐、可靠性低、调速性能差等问题，通过PLC与变频器相结合的控制方案，得到了整个电控***安全可靠性及调速性能的效果。王京,龚秋兰通过对PLC的PID控制器分别在MPS自动控制***中的应用,从而为自动化控制方式中的PID控制提供了新的方案和实践探索。但以上控制均存在控制精度不够高的问题，依次造成工业使用中影响产品的合格率。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种用于制造机器人的PLC控制***及控制方法，以实现提供控制精度的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于制造机器人的PLC控制***，包括x轴传感器、y轴传感器、z轴传感器、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器、PLC控制器和接口模块，所述x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器与PLC控制器的输入端电连接，所述x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器与PLC控制器的输出端电连接，所述接口模块和PLC控制器电连接。

根据本发明的优选实施例，所述接口模块包括上位机控制接口和状态显示接口。

根据本发明的优选实施例，所述PLC控制器包括中央处理器、存储器和接口电路，所述存储器和接口电路与中央处理器电连接。

根据本发明的优选实施例，x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器均采用液压驱动装置。

根据本发明的优选实施例，所述存储器包括：

存放***程序的只读存储器；

存放用户程序的可擦写存储器；

以及

用户程序在运行过程中需要使用的高速临时存储器。

根据本发明的优选实施例，所述接口电路包括：

外部I/O接口，PLC控制器利用外部的I/O接口实现对工业控制应用场合中的各种I/O信号的读入与输出，通过对I/O接口的灵活定义，使得PLC控制器与外部不同I/O信号实现有效的数据交换；

标准输入接口、用于工业控制领域中的标准的信号输入，PLC控制器利用标准输入接口识别和接受常规的标准化的输入信号；

工业控制中的标准输出接口、利用标准输出接口输出PLC控制器各种控制命令，同样在PLC控制器中通过内置的标准输出接口为用户自动实现了对外输出信号的相关编码格式、电机特征的转换；

以及

标准的外部设备接口，实现PLC控制器与外部标准的设备进行信息的交换。 

同时本发明技术方案还公开一种用于制造机器人的PLC控制***的控制方法，将机器人的动作空间划分为由X、Y、Z三维坐标描述的空间当中，并将机器人的动作拆分为X、Y、Z三个坐标轴的直线运动的组合以及每个坐标轴中的旋转运动组合；

PLC控制器通过x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器获取机器人的机械手在X、Y、Z三个坐标轴的空间位置，同时由PLC控制器接受上位机发送的控制命令，计算出机械手在下一步的运动轨迹和运动步骤，之后通过PLC控制器向、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器发送命令，x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器为液压驱动装置，由x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器机器人的控制机械手在X、Y、Z三个坐标轴的径向运动和旋转运动；

将上述机械手的运动过程分为：夹紧动作、平面移动动作和旋转运动，夹紧动作是通过控制机械手的夹紧机构，实现对加工工件的夹紧并固定在特定的位置上；平面移动动作是指机械手在PLC控制器的控制作用下，在X、Y、Z三个坐标轴上做直线运动，旋转运动则是指机械手的夹紧机构在驱动器的驱动下，通过PLC控制器发出的旋转指令，促使夹紧机构沿着顺时针或者逆时针方向进行转动，转动的角度由PLC控制器进行控制。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，将工业机器人的动作划分为三位空间中X、Y、Z三个坐标轴上的动作，并驱动工业机器人的机械手在X、Y、Z三个坐标轴上相应动作，从而达到精度控制的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的用于制造机器人的PLC控制***的原理框图；

图2为本发明实施例所述的夹紧运动梯形控制图；

图3为本发明实施例所述的平移运动梯形控制图；

图4为本发明实施例所述的旋转运动梯形控制图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用于制造机器人的PLC控制***，包括x轴传感器、y轴传感器、z轴传感器、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器、PLC控制器和接口模块， x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器与PLC控制器的输入端电连接， x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器与PLC控制器的输出端电连接，接口模块和PLC控制器电连接。

其中，接口模块包括上位机控制接口和状态显示接口。PLC控制器包括中央处理器、存储器和接口电路，所述存储器和接口电路与中央处理器电连接。x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器均采用液压驱动装置。

存储器包括：存放***程序的只读存储器；存放用户程序的可擦写存储器；以及用户程序在运行过程中需要使用的高速临时存储器。

接口电路包括：外部I/O接口，PLC控制器利用外部的I/O接口实现对工业控制应用场合中的各种I/O信号的读入与输出，通过对I/O接口的灵活定义，使得PLC控制器与外部不同I/O信号实现有效的数据交换；标准输入接口、用于工业控制领域中的标准的信号输入，PLC控制器利用标准输入接口识别和接受常规的标准化的输入信号；工业控制中的标准输出接口、利用标准输出接口输出PLC控制器各种控制命令，同样在PLC控制器中通过内置的标准输出接口为用户自动实现了对外输出信号的相关编码格式、电机特征的转换；以及标准的外部设备接口，实现PLC控制器与外部标准的设备进行信息的交换。 

同时本发明技术方案还公开一种用于制造机器人的PLC控制***的控制方法，将机器人的动作空间划分为由X、Y、Z三维坐标描述的空间当中，并将机器人的动作拆分为X、Y、Z三个坐标轴的直线运动的组合以及每个坐标轴中的旋转运动组合；

PLC控制器通过x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器获取机器人的机械手在X、Y、Z三个坐标轴的空间位置，同时由PLC控制器接受上位机发送的控制命令，计算出机械手在下一步的运动轨迹和运动步骤，之后通过PLC控制器向、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器发送命令，x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器为液压驱动装置，由x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器机器人的控制机械手在X、Y、Z三个坐标轴的径向运动和旋转运动；

将上述机械手的运动过程分为：夹紧动作、平面移动动作和旋转运动，夹紧动作是通过控制机械手的夹紧机构，实现对加工工件的夹紧并固定在特定的位置上；平面移动动作是指机械手在PLC控制器的控制作用下，在X、Y、Z三个坐标轴上做直线运动，旋转运动则是指机械手的夹紧机构在驱动器的驱动下，通过PLC控制器发出的旋转指令，促使夹紧机构沿着顺时针或者逆时针方向进行转动，转动的角度由PLC控制器进行控制。

 PLC控制器是一种应用于工业控制领域中的功能强大的自动控制装置。在PLC控制器当中，除了包含有完成自动控制和计算任务要求的中央处理器之外，还包含存放PLC自动控制的相关程序代码的存储器。而且在PLC控制器中的存储器还根据其所存放的代码类型不一样，分为存放***程序的只读存储器以及存放用户程序的可擦写存储器，还包括用户程序在运行过程中所需要使用的高速临时存储器。PLC控制器内部结构中除了中央处理器和存储器之外还包括十分丰富的外部接口，这些接口主要分为四大类，其一是外部I/O接口，PLC控制器利用外部的I/O接口实现对工业控制应用场合中的各种I/O信号的读入与输出，通过对I/O接口的灵活定义，可以使得PLC控制器与多种不同功能不同应用场合的I/O信号实现有效的数据交换。第二类是标准的。标准的输入接口主要用于工业控制领域中的一些标准的信号输入，PLC控制器利用这些标准的输入接口能够识别和接受一些常规的标准化的输入信号。由于在工业控制领域中的标准输入信号所采用的规范各有差别，在PLC控制器中通过这一系列的标准输入接口能够快速的接受外部的标准输入信号，避免用户在使用PLC控制器的时候再去开发对输入信号的相关接口的逻辑电路。第三类是工业控制中的标准输出接口，利用标准输出信号能够实现PLC在工业控制领域中的各种控制任务的要求，同样在PLC控制器中通过内置的标准输出接口为用户自动实现了对输出信号的相关编码格式、电机特征的转换。第四类是标准的外部设备接口，PLC控制器在应用的时候除了要对工业控制领域中的各种控制对象之间实现各种信号的交换，还需要与一些标准的设备进行信息的交换，比如与上层的计算机之间通过网线进行数据的交换，与专用的监控器通过数据线进行数据的交换，与编程器通过专用的接口使得用户能够方便地下载用户开发的用户程序到PLC控制其中。除此之外，还有打印接口使得PLC控制器能够方便地将PLC控制器内部中的一些数据输出到打印机。PLC控制器正是通过这四类的接口，使得PLC控制器能够应用于工业控制领域的多种应用场合，而且具备强大的数据交换能力，能够满足不同场合、多重任务的自动控制要求。

本技术方案所设计的机器人机械手主要应用于加工流水线的自动控制，机械手在流水线上对加工工件的装配动作都可以在一个三维空间进行描述，因此加工机械手的运动轨迹都被定义在一个由X、Y、Z三维坐标所描述的空间当中。在该三位空间中，所有的运动动作都可以拆分为X、Y、Z三个坐标轴的直线运动的组合以及每个坐标轴中的旋转运动，因此本技术方案设计的PLC控制器所要实现的控制任务，主要包括X、Y、Z三个坐标轴的径向运动以及绕相应的X、Y、Z坐标轴的旋转运动。为了提高运动的灵活性，PLC控制器在径向运动控制中支持正向的伸出以及反方向的缩回。旋转运动包括顺时针旋转和逆时针旋转。PLC机械手的这几类运动动作都将由PLC控制器进行控制，而PLC控制器与机械手的运动驱动部件则通过液压装置来实现。

在本发明技术方案中，PLC控制器通过X、Y、Z三个坐标轴的传感器获取机械手在X、Y、Z三个坐标轴的空间位置，同时由PLC控制器接受上位机发送的相关控制命令，计算出机械手在下一步的运动轨迹和运动步骤，之后通过PLC控制器向X、Y、Z三个坐标轴的液压驱动装置发送命令，由液压驱动装置控制机械手在X、Y、Z三个坐标轴的径向运动和旋转运动。PLC控制器在运行过程中还将通过状态显示接口显示PLC控制器当前的运行状态以及一些主要运行过程的相关参数。

PLC控制器的相关控制功能都将通过在PLC控制器中内嵌控制代码，实现对机械手的自动控制，对PLC控制器内嵌代码的设计与开发过程中，本技术方案采用了梯形图的设计方法（王琰.PLC控制***在发电机转子线圈感应钎焊中的应用[J].电工技术,2012,(12): 40-41.）。梯形图是一种十分高效率的自动控制程序开发的图形语言，其通过绘制控制图形实现对控制过程的描述，而且梯形图在描述过程中除了能够描述常规PLC控制过程中的连接断开、输出线圈、定时器、计数器等功能外，还能够描述一些简单的加减乘除四则运算和微分运算等操作功能。结合PLC控制应用的实际应用场合，为了实现本技术方案设计的机械手的控制，需要将机械手的运动过程进行规划，并且描述机械手在X、Y、Z三个坐标轴的径向运动以及旋转运动的运动过程。而机械手的所有运动过程中，都可以通过在几何空间的四则运算和微分运算进行描述，因此采用梯形图完全可以描述基于PLC机械手的运动过程的控制任务。

本技术方案通过对机械手运动过程的分析，将机械手的运动过程分为三大类：夹紧动作、平面移动动作、旋转运动。夹紧动作是通过控制机械手的相关夹紧机构，实现对加工工件的夹紧并固定在特定的位置上。平面移动动作是指机械手在PLC控制器的控制作用下，在X、Y、Z三个坐标轴上做直线运动。由于移动动作可以是X、Y、Z三个坐标轴所组成的连续运动动作。因此虽然在单一坐标轴上实现的是直线径向运动，但是整个运动过程可以通过若干个直线运动所组成一个相对复杂的折线运动。旋转运动则是指机械手的夹紧机构在液压装置的驱动下，通过PLC控制器发出的旋转指令，促使夹紧机构沿着顺时针或者逆时针方向进行转动，转动的角度由PLC控制器进行控制。根据本技术方案的要求和运动过程的任务需求，如图2、图3和图4所示的三类运动过程的梯形图程序。

从图2、图3和图4所描述的运动过程梯形控制图可以看出，在对机械手的运动过程进行控制的时候，其中夹紧运动只限于在X、Y、Z三个坐标轴所形成的立体空间中做平移运动，不允许工件在三维空间中再有旋转的三维动作，通过平移运动的距离将工件定位到预先设定的夹紧位置上。而在平移运动和旋转运动过程中，则分别通过X、Y、Z三个坐标轴的水平运动和X、Y、Z三个坐标轴的旋转运动使得机械手将工件放置于预定的位置。其中在平移运动中X、Y、Z三个坐标轴的运动限位打开后都增加了一个定时器，在定时器之后才表明已经运动到位，增加定时器是为了保证工件在经过运动之后处于稳定的状态，以便后续进行新的操作动作。同样的道理，在旋转运动控制过程中也增加了延时，而且为了保证在各个方向的运动控制处于有序的状态，三个方向的延时时长设定各不一样，其中Z轴的延时大于Y轴的延时，Y轴的延时大于X轴的延时。

为了验证本技术方案的基于PLC控制原理的机械手控制***的运动精度，进行了模拟测试。测试过程中主要选取机械手常用的几种基本运动动作。测试使用PLC控制器对机械手发出控制命令之后，机械手的实际运动精度和运动过程中所耗费的时间。测试结果如表一所示。从表一中可以发现，在测试过程中选取了机械手在X、Y、Z三个坐标轴的单一的径向运动和旋转运动，以及由X、Y、Z三个坐标轴所组成的径向运动和旋转运动的复合运动。从测试结果可以看出，随着运动轨迹更为复杂，运动过程中所带来的误差相对更高。而且机械手在运动过程中，实际上是将复杂的运动过程拆分为若干个简单的运动步骤，因此从表一中也可以看出，当需要将工件从空间的两个点进行直线运动，而且在运动过程中还要求X、Y、Z三个坐标轴进行旋转，则PLC控制器将这一运动任务拆分为六个运动步骤分别进行实现。通过测试发现，在所选取的几种测试动作中，其运动误差不超过0.35%，结合制造业加工流水线的控制精度，使用PLC控制器控制的机械手实际运动误差满足加工应用的需求，因此，这也验证了本技术方案中的基于PLC控制器进行机械手的自动控制能够符合加工流水线的应用需求。

表一、机械手运动动作测试表：

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综上所述，本发明技术方案，

通过在制造业流水线中部署机器人能够大幅度提高流水线的生产效率，同时也能够保证流水线的生产质量非常稳定。在利用机器人实现自动化的加工制造过程时，通过基于PLC技术的加工机器人自动控制技术，能够灵活高效的解决加工制造过程中的机器手自动控制的问题。而且通过对机器手采用三维坐标的自动测量与自动控制综合应用的技术，能够确保所设计的机器手在加工制造过程中能够实现三维空间的各种复杂运动轨迹，满足制造业加工流水线的应用需求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，包括x轴传感器、y轴传感器、z轴传感器、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器、PLC控制器和接口模块，所述x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器与PLC控制器的输入端电连接，所述x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器与PLC控制器的输出端电连接，所述接口模块和PLC控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，所述接口模块包括上位机控制接口和状态显示接口。

3.根据权利要求1所述的用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，所述PLC控制器包括中央处理器、存储器和接口电路，所述存储器和接口电路与中央处理器电连接。

4.根据权利要求1所述的用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，x轴驱动器、y轴驱动器和z轴驱动器均采用液压驱动装置。

5.根据权利要求3所述的用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，所述存储器包括：

存放***程序的只读存储器；

存放用户程序的可擦写存储器；

以及

用户程序在运行过程中需要使用的高速临时存储器。

6.根据权利要求3所述的用于制造机器人的PLC控制***，其特征在于，所述接口电路包括：

外部I/O接口，PLC控制器利用外部的I/O接口实现对工业控制应用场合中的各种I/O信号的读入与输出，通过对I/O接口的灵活定义，使得PLC控制器与外部不同I/O信号实现有效的数据交换；

标准输入接口、用于工业控制领域中的标准的信号输入，PLC控制器利用标准输入接口识别和接受常规的标准化的输入信号；

工业控制中的标准输出接口、利用标准输出接口输出PLC控制器各种控制命令，同样在PLC控制器中通过内置的标准输出接口为用户自动实现了对外输出信号的相关编码格式、电机特征的转换；

以及

标准的外部设备接口，实现PLC控制器与外部标准的设备进行信息的交换。

7.一种权利要求2至6所述的用于制造机器人的PLC控制***的控制方法，其特征在于，将机器人的动作空间划分为由X、Y、Z三维坐标描述的空间当中，并将机器人的动作拆分为X、Y、Z三个坐标轴的直线运动的组合以及每个坐标轴中的旋转运动组合；

PLC控制器通过x轴传感器、y轴传感器和z轴传感器获取机器人的机械手在X、Y、Z三个坐标轴的空间位置，同时由PLC控制器接受上位机发送的控制命令，计算出机械手在下一步的运动轨迹和运动步骤，之后通过PLC控制器向、x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器发送命令，x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器为液压驱动装置，由x轴驱动器、y轴驱动器、z轴驱动器机器人的控制机械手在X、Y、Z三个坐标轴的径向运动和旋转运动；

将上述机械手的运动过程分为：夹紧动作、平面移动动作和旋转运动，夹紧动作是通过控制机械手的夹紧机构，实现对加工工件的夹紧并固定在特定的位置上；平面移动动作是指机械手在PLC控制器的控制作用下，在X、Y、Z三个坐标轴上做直线运动，旋转运动则是指机械手的夹紧机构在驱动器的驱动下，通过PLC控制器发出的旋转指令，促使夹紧机构沿着顺时针或者逆时针方向进行转动，转动的角度由PLC控制器进行控制。

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