PLC的工业机器人设计及发展分析
摘要 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术定的原则纲领行动。本文从工业机器人的特点出发,简单介绍了基于PLC的工业机器人关节直流伺服系统的设计,并简单分析了工业机器人的现状及发展.
关键词 工业机器人 PLC 先进技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的专门系统。因其灵活性高、输出功率大、定位精确的特点，工业机器人被广泛应用于制造业的各个环节。以其高效，高质、稳定的运转工作，工业机器人为所在行业的高效生产和稳定质量起到重要作用。
在生产方面，以工业自动化为主要发展方向的方针下，我国自主研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，这些研制出来的专用工业机器人，在很大程度上提高了我国生产率和生产效率，对我国国民经济的发展起到了重要的推动作用。
在军事方面，目前世界上许多国家正在致力于研发军事机器人，并且已有正式投入于现代战争的实例。军事机器人主要被应用于侦查、探测、拆弹等比较危险的方面，军事机器人可以在对人类构成威胁的环境中运行自如，以此来把士兵从充斥着死亡的战场中解放出来。
在人们的生活中，也能发现机器人的影子。医疗机器人，已经应用于用于世界各地的许多手术室中的外科手术机器人，由医用机器人和工业机器人的技术结合而诞生的康复机器人，它们都给人们的生活带来更多的方便。
工业机器人最显著的特点有以下几个：
(1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。
(2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
(3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。
(4)工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。
当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。
（1）技术先进工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。
（2）技术升级工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。
（3）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。
（4）技术综合性强工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。
随着现代科学技术的发展，PLC己广泛地应用于工业控制微型计算机中。
目前，工业机器人关节主要是采用交流伺服系统进行控制，本研究将技术成熟、编程方便、可靠性高、体积小的SIEMENS S-200可编程控制器 ，应用于可控环流可逆调系统，研制出机器人关节直流伺服系统，用以对工业机器人关节进行伺服控制。
工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，通过环流可逆调速系统控制电机的正反转来达到对工业机器人关节的伺服控制的目的。
系统采用SIEMEN S7-200型PLC， 外加D／A数模转换模块，将PLC数字信号变成模拟信号，通过BT—I变流调速系统(主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR，正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成)驱动直流电机运转，驱动机器人关节按控制要求进行动作。系统结构如图1所示。
图1 机器人关节直流伺服系统结构示意图
系统原理如图2所示，可控环流可逆调速系统的主电路采用交叉联接方式，整流变压器的一个副边绕组接成Y型，另一个接成△ 型，2个交流电源的相位错开30°，其环流电压的频率为l2倍工频。为了抑交流环流，在2组可控整流桥之间接放了2只均衡电抗器，电枢回路中仍保留一只平波电抗器。
控制电路主要由转速调节器ASR、电流调节器ACR、环流调节器ARR， 正组触发器GTD、反组触发器GTS、电流反馈器TCV组成(见图2)，其中2组触发器的同步信号分别取自与整流变压器相对应的同步变压器。
图2 工业机器人关节直流伺服系统原理图
系统给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零。此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统。由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流。环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右。正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正， 电机正向运行。此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和； 反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流， 因此可以对主电流进行调节。而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小。反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态。反向启动时情况相反。另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程。由于启动过程也是环流逐渐减小的过程， 因此， 电机停转时，系统的环流达最大值。环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。
程序设计方案为手动输入一个角度值，让电机转动，通过与电动机相联的光电码盘来检测电动机转的角度，将转动角度变成脉冲信号。由于电动机的转速非常快，所以只能把脉冲信号送往PLC的高速计数器。然后将计数器的脉冲记录与手输入的进行比较，如果两者相等说明电动机已经到达指定角度位置，否则继续进行修正。值得注意的是，由于电动机从转动突变到停止会有一定的惯性， 因此在进行信号比较时应允许有一定的误差，不然电动机就会始终处在修正位置状态。系统程序框图如图3所示。
图3 系统程序框图
基于PLC研制的直流伺服系统，利用PLC扩展能力强的特点，添装手动输放装置，实现工业机器人关节直流伺服系统的可视操作。其优点是：(1)无需改变电路结构，即可通过程序实现电机正反转的控制；(2)能够使电机不等待停止转动即可立刻反方向转动；(3)可令电机急停，避免电机惯性转动；(4)编程、维护方便。
美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,经过30多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一,其机器人性能可靠,全面,精确度高水平高居世界之首。
虽然日本不是第一个发明机器人的国家，但由于二战后日本国内劳动力不足等原因，使日本重视并且依赖于用机器人来代替劳动力，同时颁布一系列扶植政策来推动生产力自动化的发展。由于以上原因，日本一跃成为“机器人王国”。
法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范
围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。
而英国的机器人发展史比较曲折，英国政府曾一度对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振。不过由于意识到了错误，近来英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。
另外，机器人数量位居世界第三的德国，和拥有一流的机器人制造技术的俄罗斯，也在机器人发展史上占据着很大比重。
我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
《中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示，2013年中国市场共销售工业机器人近3.7万台，约占全球销量的1/5，总销量超过日本，位居全球第一。而且我国市场销售机器人的数量，年化增长率高达34%。成为全球增长速度最快的工业机器人市场。预计到2018年工业机器人年供应量超过91000台。
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