（机械电子工程专业论文）基于plc控制的工业机器人系统的研究与实现.pdf

中文摘要 基于p l c 控制的工业机器人系统的研究与实现 姓名：卞洪元 导师：许映秋郁建甲 东南大学 摘要 在工业自动化领域，可编程控制器( p l c ) 、机器人和c a d c a m 成为自动控制的三大技术支柱， 住现代上业中发挥着巨大的作用。目前工业机器人由设计开发到应用已经相当普及，且绝大部分采 翊交流伺服驱动系统，控制器往往采片j 基于p c 或d s p 的嵌入式控制器。但是，随着p l c 技术的快 速发展，特剐是运动控帝0 和网络功能的加强，p l c 已经能够实现对机器人的控制，圊此对基于p l c 控制的工业机器人系统进行研究并实现运动控制就显得十分必要。 本文首先对下业机器人的总体结构和设计要求进行分析，完成了其结构设计。对伺服控制系统 和工业机器人驱动特点进行了论述确定t 业机器人驱动采用全数字交流伺服控制系统，并完成了 倒服电机和驱动器的选择。 其次，在对工业机器人控制器进行分析的基础上，阐述了本课题工业机器人采用a bp l c 控制 的理山，详细介缁了a bp l c c o n t r o l l o g i x 控制系统，包括处理器、运动控制模块以及与上位机的 通讯等完成了1 业机器人c o n l r o l l o g i x 系统的硬件和软件设计。随后对丁业机器人进= ? - - y 运动控 制分析，阐述了基于p l c 控制的工业机器人系统的轨迹控制及运动组态，实现了对机器人的运动控 制。 最后论文对全文进彳亍总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词：工业机器人，p l c ，交流伺服控制，轨迹规划，运动实现 东南太学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f i n d u s t r i a lr o b o ts y s t e mb a s e do np l cc o n t r o l n a m e ：b i a nh o n g - y u a n s u p e r v i s o r ：x uy i n g q i u ，y uj i a n p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h et e c h n o l o g y s u p p o r t e da u t o m a t i o nh a st h r e ea s p e c t sw h i c ha r ep l a y i n gg r e a ti m p o r t a n tr o l e si nt h e f i e l do fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，t h o s ea r e ，p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，r o b o t sa n dc a d c a m p r e s e n t l y ，t h ed e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h eu t i l i z a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t sh a v ea l r e a d yg a i n e dg r o u n d ； m o r e o v e r , t h ed r i v eo fa cs e r v o c o n t r o lh a sa l w a y sb e e nu s e dt ob et h ed r i v e r , t h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r s b a s e do np co rd s ph a v eb e e ni n t r o d u c e da l s o b u ta l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp l ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ee n h a n c e m e n to f m o t i o nc o n t r o la n dn e t w o r k ，t h ec o n t r o jo f r o b o th a s e do np l ch a sa l r e a d y c a r r i e do u t c o n s e q u e n t l y , i ti sv e r yn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nt h ei n d u s t r i a lr o b o ts y s t e mb a s e do n p l cc o n t r o if o rt h er e a l i z a t i o no f t h o s em o t i o nc o n t r o l s t h ei n t e g t a ls t r u c t u r ea n do v e r a l ld e s i g no fr o b o ta r ea n a l y z e df i r s t l ya n dc o m p l e t et h ec o n f i g u r a t i o n d e s i g nt h e n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v e r so ft h es e r v o c o n t r o ls y s t e ma n dt h er o b o ta r ee x p l a i n e d ，t h e d i g i t a la cs e r v o c o n t r o ls y s t e mj sa d o p t e di nt h er o b o t sd r i v e r , a n dt h ec h o o s eo ft h es e r v o ej e c t r o m o t o r s a n dt i l ed r i v e r si sf i n i s h e d t h e n ，a f t e ra n a l y z i n gt h ec o n t r o l l e r so fi n d u s t r i a lr o b o t s ，w h yw ed e c i d e dt oc h o o s et h ea bp l ci s d e m o n s t r a t e da n dt h ea - bp l cc o n t r o l l o g i xs y s t e mi n c l u d i n gp r o c e s s o m ，m o v i n g c o n t r o lm o d u l ea n dt h e c o m l nl a l i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e ra r ep r e s e n t e di nd e t a i la n dt h ew h o l ed e s i g nc o u r s eo f t h eh a r d w a r e o ft h ei n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o ll o g i xs y s t e ma n dt h es o f t w a r e s u p p o r t e de n v i r o n m e n ta r ep u tf o r w a r d t h e n ，t h em o v i n g c o n t r o lo ft h er o b o ta n dt h ec o n t r o io fm o v i n gt r a c ka n dm o v i n gc i r c u m s t a n c eo f i n d u s t r i a lr o b o ts y s t e mb a s e do np l cc o n t r 0 1a r ed i s c u s s e d a n dt h em o v e c o n t r o lo ft h er o b o tl s c o m p l e t e d f i n a l l y , ac o n c l u s i o ni sg i v e na n dt h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c hi sp u tf o r w o r d k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t ，p l c ，a cs e r v o c o n t r o l ，t r a c kp r o g r a m m i n g ，m o t i o nr e a l i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查蒯和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：吨：盗垒 导师签日期：一4 ，一 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 工业机器人 第一章绪论 在j 二业自动化领域，可编程控制器( p jc ) 、机器人和c m ) c 矾成为自动控制的三大技术支柱庄 现代u | 业中发挥着巨大的作用。目前工业机器人、p l c 从改 r 发剑麻川已纾f 技，其应用状况， 址个j i j j ：i 、i kh 动化水平的重要机忠。 f k 机搽凡址利一j l i 过弧复编槲乖i i 动控制，能够完成制造过羁! i 某些掀作f l ：务的多j 能、多 州向机l u - 律化臼动机械装器和系统“。1 9 6 2 年美闻u n i m a t i o n 公同f 1 第 台1 。业机器人 “u n i m a l l e ” ：l ：兕因迎川汽车公，d ( g m ) 投入使j | j ，这栎。占蕾箭一 机器人的近化。从此，工业机 器人j i 术不断进步，j “r i 不断改进_ ；f | i 完善，逐步发展形成丁第一代可编拌控制示敦r q 现但川e 机器 人及其技术o “。进入2 0 【纪8 0 年代，i ：业机器人的制造形成产业，计被j 泛川t - 制造h j k 。如定 询p 【j m a 机器人、意人利的s m a r t 机器人、日本的m o t o m a n 机器人、德的k u k a 机器人、 b b 公 的i r b 机器人等。 、i k 机器人足赎弘的机i u 一体化的高坎术产品，在 1 。多巾产领域对提高夸产的门动化水 王，提砖 一并动小卢率、，n i n i 质精、经济散靛瞍救磐i 人作业条仆等方丽起到小可替代的作j i i f 3 1 。目前，随着 牛 。打j 互术的进步，f , i k g l 器人：向笫二代智能型f ：业机器人发展，其特点是，能高度 i 近腑小 的1 , i k 蚪境，! h - f 1 上学爿羁j 决策控制能力。具体表现4 ：_ i ： ( i ) 3 1 器人嫌f 1 ：机：通过有瞅元分析、 旗态分析及仿咫改汁等现代殴“7 j ，：的运 l | ， l 器人操 作机l 实现了优化没计。u 德r i = jk u k a 公卅为代表的机器人公- d 已将机器人j i 般r l 删边形绀均 l 乃 硅结构撕艇j 机器人旧f 州。范网，加之轻质h q 卉金州科的成j ，人人艇，滔j i 器人帕r ：能。 此外朵川允进的r v 减速器及交流伺舭i 也机，使机器人琳 1 帆儿乎成为免t i - j 7 、系统。 ( 二) 控制系统：控制豸三统的- i i ? 能进一步提高，已m 过l t g , j h i 推的6 轴# 【器人发展剑脱 ：能 控制2 1 ：1 i l ! ：7 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界而业加友玎，l 占j 1 i 冬f 形操l i tr 1 9 外 也l i 州k 。编榉方式 j j 以示敦编桦为：i ：，f 任某些领域的离线编程已实现实川化。 ( 3 ) 州络j i ! l 佶助能：jj 本y a s k a w a 和德幽k u k a 公l 1 】的最新机器人控制嚣已艾观j + t ， c a n b u s 、p r o l i b u s 总线及一些网络的联接，使机器人由过上的独t 麻_ 【 j 向嘲络化应川迎进了人步， 也帔 l 器人过玉的0 川设需向标准化- 垃备发展i 。 披 qi ：、限”l 器人起步r7 0 年代训崩，经过2 0 多午的发程，人数经历了个阶段：7 0 印f 的f 自。川，舳, - _ j m b 酗e 2 ： i l q o r l e 图6 一1 6 轴的属性对话框4 1 点击d r i r e 属性2 一选择放大器目录序列号3 一选择电机目录序列号 4 一多种方法任选：选择要获取两个运动轴的属性，可以通过g s v 指令或标签名获得。 6 5 5p o s i t i o n ( 位置) 参数设置 本课题采用的是半闭环交流伺服控制，位置精度是靠安装在电机非负载端的增量式光电编码器 来保证，因此p o s i t i o n ( 位置) 参数设定是保证】：业机器人末端能否准确运动到设定的空间某点的关 键。本课题中主要是升降臂、大臂和小臂的p o s i t i o n ( 位置) 参数设定。 1 ) 升降臂：电机通过减速器带动丝杆传动，实现升降臂的上升和下降运动，减速器的传动比为 n = l ：8 0 ，丝杆螺距t = 4 m m ，电机的旋转采用定位控制，即用m a m 运动指令，p o s i t i o n ( 位置) 参数设 定为应转过的转数n l ，则 第六章工业机器人的运动控制实现 啊：掣旦：2 0 见( r p s ) ( 6 固 l 2 ) 大臂：大臂的转动由电机通过减速器传动实现减速器的传动比为n = i ：8 0 ，电机的旋转采用定 位控制即用m a m 运动指令，由式5 2 3 可求出大臂应转角度0 1 p o s i t i o n ( 位置) 参数设定为应转过 的转数n 2 。则： 丹 巩= 上8 0( 6 3 ) 3 6 0 。 3 ) 小臂：小臂的转动由电机通过减速器、皮带传动实现，减速器的传动比为n = i ：8 0 ，电机的旋转 采用定位控制，即用m a m 运动指令，由式5 。2 4 可求出小臂应转角度0 2 ，p o s i t i o n ( 位置) 参数设定为 应转过的转数n ，。则： 陷：旦8 0 3 3 6 0 ( 6 4 ) 若采用同时控制，在指令中，s p e e d ( 速度) 参数设定时，其值应与各轴速度成正比，即： v f ：y ? ：v s = n l ：n 2 ：n 3 为保证各轴协调控制，各个关节独立的伺服系统增益必须一致“。 本工业机器人的运动轨迹主要是通过运动指令实现，c o n t r o l l o g i x 控制系统具有丰富的运动指 令，包括运动状态、运动移动、运动组、运动事件和运动组态。本课题所用的运动指令j l 【l 表6 4 ，使 用r s l o g i x 5 0 0 0 软件，编写梯形图程序，便可实现该工业机器人的运动控制。 表6 4 运动指令4 5 1 使用指令 命令 r o t i o ns e r v o0 a ( 惦0 ) 使能伺服驱动并激活运动轴伺服闭环 m o t i o ns e r v oo f f ( m s f ) 票止倒胀驻动井便延明轴1 一搬卦光效 m o t i o na x i ss h u t d o w n ( m a s d )强制运动轴进入关机状态 m o t i o na x i ss h u t d o w nr e s e t ( m a s r ) 将运动轴由现有的关机运行状态改变 m o ti o na x i sf a u ltr e s e t 恤a f r ) 消除运动轴的所有故障 m o t i o na x i ss t o p ( m a s )在垤明轴的任何运动过程中启动受控停止 f o t j o n 舨j sh o m e ( h )运动轴回霉 m o t i o na x i sj o g ( m a j )对运动轴启动点动运动 m o t i o i la x i sm o v e ( m a m )对运动轴启动定位运动 6 6 工业机器人的精度分析 工业机器人的位置精度主要由电机精度、机械部分振动和变形、温度、运动惯性及安装精度等 决定。 基于c o n t r o l l o g i x 控制的全数字交流伺服驱动系统的工业机器人，精度分析总结如下： 1 )交流伺服电机的控制精度：y i 系列交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保 证。屯机的非负载轴端均装有增量式光电码盘，通过光电码盘提供反馈信号( a 、b 、i n 脉冲) 来完成位置伺服系统的位置反馈，组成一个闭环系统。该电机采_ = f j2 0 0 0 线编码器， 驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 0 8 0 0 0 = 0 0 4 5 。分辨率为 3 6 0 0 2 0 0 0 = 0 1 8 。，保证其具有很高的位置精度。 2 )增量式光电码盘装在非负载轴端，避免了机械部件振动和变形对位置控制系统产生不利影 响。 3 )采用全数字式伺服驱动，电路温度漂移小，避免了温度对参数的影响，稳定性好。 4 )本工业机器人电机采用低惯量转子，均有磁释放2 4 v d c 抱闸器，既可 手动控制，也可 东南大学硕士学位论文 通过伺服电机控制进行自动控制，保证了极低的运动惯性，几乎为零。 5 ) 控制系统和驱动器采用光纤联接不但传送数据速率高，且不受电磁干扰，保密性好。 6 )采用铝合金材料，升降臂和大臂设计为u 形结构，机器人既有一定的刚度。又具有很好的 受控性。但由于是轻型材料。手臂在运动过程中容易产生振动，其运动精度有所降低。 7 )小臂的传动系统采用齿形带传动，虽能保证运动精度，但仍有较小的运动间隙。 第七蘑总结 第七章总结 工业机器人自6 0 年代问世以来，经过了4 0 多年的发展已广泛用于各个上业领域，成为制造 业生产自动化中主要的机电一体化设备，基于p l c 控制的工业机器人，关节驱动采用交流伺服驱动 系统其控制器采用p l c 。本文分析了工业机器人的结构，提出p l c 控制和交流伺服控制的优势， 对控制系统进行了设计，最终实现了基于p l c 的工业机器人系统的运动控制。 课题的研究主要取得了如下成果： 1 )系统分析了工业机器人的结构和设计要求，完成了基于p l c 控制的- l 业机器人的结构设计。 2 )对伺服系统和工业机器人驱动系统进行了全面阐述，确定了基于p l c 控制的二业机器人采 用交流伺服驱动，并完成了驱动器、伺服电机及驱动器接口模块的选择和组态。 3 ) 控制器是工业机器人的核心部分，在全面分析了 i 业机器人控制器的基础上，确定采用p l c 作为本课题中1 ：业机器人的控制器，使工业机器人的开放性和通用生大大加强。 4 ) 对a bp l cc o n t r o l l o g ix 控制系统进行了分析在此基础上完成了运动控制的硬件、软件 设计和各模块的组态。 5 )由于p l c 网络功能的加强，许多p l c 产品都支持t c p i p 协议，在本课题中采用了咀太网技 术，通过以太网网络实现了控制系统与上位机的通讯，从而实现了对工业机器人的网络控 制。 6 ) 对上业机器入的运动控制进行了分析，实现了c o n t r o l l o g i xp l c 控制系统对= 业机器人 的运动控制。 本课题的研究虽然取得了一些成绩，但由于时间紧促、能力有限，有如下方面还需进一步加 以研究： 1 )轨迹控制：本论文上业机器人通过p l c 控制系统实现点位( p t p ) 控制，仅能满足工业机器人 的般耍求，利用p l c 指令实现连续( c p ) 控制还需进一步探讨。 2 ) 速度控制：本论文工业机器人对变速控制没有提出严格要求，若机器人在运动过程实现变 速运动控制，则还需做进一步的研究。 3 )网络控制：本课题通过以太网实现工业机器人与上位机的通讯，基于因特网的7 一泛使片 若采用因特网实现对t 业机器人的控制，还需进一步研究。 如果本课题t 业机器人在咀上三个方面实现突破，其功能将会更加强人。 致谢 致谢 在本论文完成之际，首先衷心感谢导师许映秋教授、郁建平高工对我的指导与帮助，在攻读硕 士学位期间，无论是在学习、科研，还是在生活上，都给予了无微不至的关怀，令我倍受感动。二 位导师宽厚的待人品格、严谨的工作作风令我终身难忘并必将对我以后的人生道路产生深远的影响， 使我终身受益，在此再次向二位导师表示深深的谢意i 在傲课题的过程中，郁教师提供了良好的工作环境、设备以及很多启发与指导。值此论文完成 之际谨向郁老师表示衷心的感谢! 在论文的写作中，以及在东南大学学习期间我得到了动力工程系r o c k w e l l 实验室的诸位教师 以及丁金水、韩建萍、陈平、赵永美、冯菲、张林、周祥基、朱强、季汉棋等学友的启发和帮助， 在此一同表示感谢! 我非常感谢以校长马松为首的校领导和全体教师，他们在我学习过程中给予我以热忱的帮助和 殷切的关心，从而使我的论文得以顺利完成! 最后，要感谢我的家人，我的妻子，女儿是她们无私的关怀、理解和支持给我不断进取的动力， 谨以此文献给我亲爱的家人也怀念我敬爱的父亲! 作者：卞洪元 2 0 0 5 年3 月于东南太学 参考文献 参考文献 世晃工业机器人的概况与预测 e b o l ) h t t p ：d o m i n i q u e b l o g c h i n a c o m c o i f f e t p ：r o b o t st e c h n o l o g yv 0 1 1 ，m o d e l l i n ga n dc o n t r o l ，p r e n t i c e h a l l ，i n c ，1 9 8 3 蔡自兴机器人的今天和明天【j 电气自动化，1 9 8 4 ，第5 期，5 1 1 h a j i m ui j o u r n a lo ft h er o b o t i c ss o c i e t yo fj a p a n ，1 9 9 9 1 7 ( 5 ) ：6 3 7 张伯鹏，机械制造及其自动化 m 北京：人民教育出版社，2 0 0 3 8 曲道奎张念哲机器人技术的新进展 e b o l 】h t t p ：w v m s t c s m g o v c n 杜学强p l c 基础知识简介 e b o l h t t p ：w v r a n o d e a u t o c o m ，2 0 0 4 8 吴晓君，杨向明电气控制与可编程控制器应用主编 m 北京：中国建材工业出版社，2 0 0 4 柳洪义等机器人技术基础 m 北京：冶金工业出版社，2 0 0 2 1 1 赖维德工业机器人技术 e b o l h t t p ：w w s t c s r f l g o v c n 郭庆鼎等交流伺服系统 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 8 6 殷际英关节机器人 m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 3 8 熊有伦机器人学 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 3 1 0 周伯英工业机器人设计 m 】北京：机械工业出版社，1 9 9 5 8 蔡自兴机器人原理及其应用 m ，河南：中南工业大学出版社，1 9 8 7 7 李国厚智能伺服技术及其应用 e b o l v c r r w g o n g k o n g c o m e x h i b it l u n w e n 伺服系统的发展和优点 e b o l h t t p ：w w p r o c e s s c h i n e s e c o m 殷际英，林宋等光机电一体化实用技术e 砌北京：化学工业出版社2 0 0 3 我国工业控制自动化技术现状与趋势 e b o l h t t p ：w w w j s b w a t e r c o m2 0 0 41 2 余达太等工业机器人应用工程 m 北京：冶金工业出版社2 0 0 1 6 运动控制选型指南 e b o l h t t p s ：w w w r o c k w e l l a u t o m a t i o n c o m c n 徐颖张传英等用p l c 快速构造工业机器人控制器 j l o g i x 5 5 5 0 c o n t r o l l o g i x 系统 o b o l 】h t t p ：v m w r o c k w e l l a u t o m a t i o n c o m 孙迪生王炎机器人驱动技术 m 北京：机械工业出版社，1 9 9 7 4 工业机器人电动驱动系统 e b o l h t t p ：w w w r o b o t d i y c o m u i t r a3 0 0 0 数字式伺服驱动器 e b o l b t t p s ：w w r o c k w e l l a u t o m a t i o n t o m c n c o n t r o l l o g i x 选型指南 e b o l h t t p s ：w w r o c k m e l l a u t o m a t i o n c o m c n 陈字段鑫可编程控制器基础及编程技巧 蛔，“州：华南理工大学出版社，2 0 0 2 3 h t t p s ：w w w r o c k w e l l a u t o m a t i o n c o m c n a p p l i c a t i o n s g s a p g s c n n s f c o n t r o l l o g i x 用户手册 e b ，o l 】h t t p s ：w w r o c h e l l a u t o m a t i o n ，c o i i i c n h t t p ：w w w r o c k w e l l 一l a b c o m s o f t w a r e r s l o g i x h t m l