CN109366487A - 一种关于scara型机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种关于SCARA型机器人的控制系统，整个控制系统由下面几个部分组成，其主要包括的硬件设备有PLC、三个驱动器、两个伺服电机，和一个步进电机、以及若干个接近开关的按钮。本发明采用了传感器和控制电机的角度的双保险，所以可靠性较高，精度也较高，不足之处就是结构相对来说较为复杂，生产成本较高，且出现故障后不易维修。

Description

一种关于SCARA型机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及机器人的控制系统技术领域，更具体地，涉及一种关于SCARA型机器人的控制系统。

背景技术

用PLC来控制SCARA型机器人时，大部分都用PLC编码控制器来控制SCARA型工业机器人系统，其应用非常广泛，PLC编码控制器在控制SCARA型机器人时，其结构大部分是采用分层式，这样做的优点就是在编码控制器的每一个控制点都都可以保证有相对应的反馈控制点，以便在遇到紧急情况时可以进行应急控制，此外，在利用PLC编码控制器控制SCARA型机器人时，是通过操作系统来的驱动相关的控制装置进而控制SCARA型机器人的正常的生产，其采用的是顺序控制，所以SCARA型机器人可以实现顺序动作，从而可以广泛应用在工业方面。

目前，随着PLC控制技术的日益完善，网络和信息化技术的飞速发展，二者最后完美融合形成合力，使得PLC已经可以完美地实现对SCARA型机器人的控制。最值得称赞的是现今PLC控制技术可以和SCARA型机器人系统进行完美地结合进而实现协调控制工作，如多轴的控制，利用这个特点就可以让机器人的运动和动作得到有效和精确的控制。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的生产成本太高、通用性较差、扩展和维护不方便的缺陷，提供了一种用于变电站网络通讯故障的检测装置。

本发明的首要目的是将PLC技术应用在机器人的控制上，从而使机器人可以实现规定的动作和运动，回到原位，选择是手动操作或自动操作。在编程过程中可以用步进指令编写程序，进而简化程序，此外还可以避免过去因为大量用继电器而带来的各种缺陷，其改进和提升了控制系统的性能，生产效率也得到了提高，其大大地使生产成本得到了提高。

本发明的进一步目的是改进控制方式，过去的继电器控制用的是硬接线，其逻辑关系如果确定，而后要改变逻辑或增加功能是非常不易的；相比之下PLC采用软接线，从而只要改变控制系统的程序就能非常容易地改变其逻辑或使其增加一些其他原先没有的功能。

本发明的第三个目的是缩小系统的体积，降低系统的能耗，从体积体积上来说，PLC控制系统是继电器控制系统的1/5。同样在耗电方面来说，一般同样功能的继电器控制系统会多用电50％甚至更多，而在价格上来说，要视情况而定，当其控制系统中继电器的个数在10个以上时，采用PLC控制相对比较经济。

本发明的第四个目的是改进控制系统的定时和计数功能，采用继电器来控制其定时精度较低，且很容易受周围的环境温度变化的干扰，此外没有记数这一功能；而采用PLC控制时其时钟脉冲是由晶振而产生的，从而精度较高，且定时的范围较宽，这样可以实现记数的功能。

本发明的第五个目的是提高控制系统的适应性，拓宽控制系统的使用方面，其由于PLC控制系统产品大部分已经标准化，系列化，模块化，因而用户在设计控制系统时，其不需要设计和制作硬件等装置，而只要根据控制系统可以灵活、方便等需要，进而进行系统配置，其就可以组成规模和功能不同的控制系统。从而其用户的工作只需设计出满足控制对象且达到控制要求的应用程序。其PLC控制是通过编写程序来实现基本的控制。因此当生产的工艺过程发生变化改变时，其不需要变化PLC的硬件设备，而只需修改程序或重新编写程序即可。

本发明的第六个目的是使系统的功能和接口功能多样化，当前的PLC控制已具备模拟量和数字量输入/输出、逻辑和算术运算。此外还有定时和计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示和其他等方面的功能，从而可以使设备的控制水平得到很大的提高。其接口的功率驱动可以给用户带来较大的方便，在数字量输入/输出接口方面，就电源方面来说，交流的有如下几种110v、220v和直流5v、24v等；其负载的能力可以在0.5～5A的范围随机变化；而模拟量的输入/输出有如下几种，例如：-10～10V、0～10V、4～20mA等规格。其能很方便地把PLC和各种不同的控制设备直接相连接，从而可以组成应用系统。比如，输入的接口可以直接和多种的开关量和传感器相连接，其输入接口在很多情况下也能和其他传统的继电器、接触器及电磁阀等直接相连接。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种关于SCARA型机器人的控制系统，，包括驱动模块、控制模块、机械臂主体模块；

所述的驱动模块用于机械臂转动；

所述的控制模块用于对电机的精准控制；

所述机械臂主体模块用于在电机控制下自由转动。

本发明通过PLC输出运动参数信号，进而控制电机的运动参数，进而通过驱动模块中的驱动电路驱动电机带动机械臂运转。

优选地，所述机械臂主体模块由大臂、小臂，末机械臂组成，并且还包括三个旋转关节和一个移动关节，其中旋转关节用于平面内的定位和定向，移动关节用于完成末端执行机构在垂直方向的运动，并且整个控制系统有四个自由度，包括沿X、Y、Z轴方向的平移自由度和一个绕Z轴旋转的自由度。

优选地，所述的驱动模块包括驱动电路、两个伺服电机和一个直流步进电机以及谐波减速器；驱动电路通过驱动两个伺服电机分别驱动大臂和小臂，通过驱动直流步进电机来驱动末机械臂，谐波减速器安装在大臂和小臂上用于缓冲减速。

优选地，大臂采用APM-HCL09AMK3G203型伺服电机驱动，谐波减速器减速，然后利用同步带实现远距离传输，其具有体积较小、重量较轻、精度较高、回转误差较小、承载能力相对来说较大、噪音较小、效率较高、方便安装和检修的特点。

优选地，小臂采用APM-HBL06AMK3G203型伺服电机驱动,其可最大程度的利用大臂的空间，同样采用谐波减速器减速，其具有结构简洁而紧凑，扭矩较大，因为自身电机的功率大，且中间没有多余传动机构，基本上不存在功率损失，所以效率较高。

优选地，末机械臂采用43000size17系列的直线步进电机，因为转动时需要一定大小的扭矩，为了能充分满足转动的动力要求而采用效率较高的直接驱动，使电机有充足的扭矩能驱动末端的装置，这样设计的优点就是结构简单，维修方便，这种方案传动链简单且易于实现。此外其具有较强的抗干扰能力，尤其是对传动机构的惯量和阻力矩来说，所以可以实现快速加速或减速，这对于快速启动和停止具有相当大的促进作用。

优选地，所述的控制模块包括PLC、关节伺服控制器、传感器、控制面板，A/D转换器；控制模块通过控制面板上分布的各种功能的按钮进行人为控制，PLC通过输出运动参数信号，并且运动参数信号经过A/D转换控制驱动器，进而控制电机的主要的运动参数。

优选地，控制面板上还安装有电源驱动器的信号端可以采用+24V的电源来提供电源，但是考虑到电路的安全性，需要加上1.5K的电阻，起到限流作用，并且驱动器的输入端要低电平时才起作用，在选择相应的PLC来配套驱动电路时，必须用相应的电平转换板来进行电平转换，然后再接入控制电路。整个系统采用电力驱动，这是因为SCARA型机器人的所需要的力矩和速度不是很大，定位所需的精度并不是很高的特点决定的。

优选地，PLC采用的型号为三菱系列的FX2N-32MR。

优选地，其采用大量的标准件，使得设计周期变短，生产成本大大降低，为期大规模生产打下了坚实的基础。

优选地，其采用PLC闭环控制，其具有反馈环节，并应用反馈减少误差，具有较强的抗干扰能力，稳定性较强，其次，其使低精度元件组成高精度的系统，充分保证整个控制系统的控制精度。

优选地，PLC控制程序分为初始化程序、回原位程序、手动程序和自动程序。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：其采用大量的标准件，使得设计周期变短，生产成本大大降低，为期大规模生产打下了坚实的基础，采用PLC闭环控制，具有速度快、无触点、可靠性强、能耗低、适应强、精度高、高效率等特点，采用自动控制和手动控制相结合的方式，其系统兼容性更强，应用性更加广泛。

附图说明

图1为本发明控制系统图。

图2为本发明电机驱动电路图。

图3为本发明系统极限位置状态转移图。

图4为本发明系统回原位状态转移图。

图5为本发明系统控制方式选择图。

图6为本发明控制系统接线图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示的控制系统图，系统通过开关控制PLC输出运动参数信号，进而控制电机的运动参数，进而通过驱动模块中的驱动电路驱动电机带动机械臂运转。

其中控制模块包括PLC、关节伺服控制器、传感器、控制面板，A/D转换器；控制模块通过控制面板上分布的各种功能的按钮进行人为控制，PLC通过输出运动参数信号，并且运动参数信号经过A/D转换控制驱动器，进而控制电机的主要的运动参数。

驱动模块包括驱动电路、两个伺服电机和一个直流步进电机以及谐波减速器；驱动电路通过驱动两个伺服电机分别驱动大臂和小臂，通过驱动直流步进电机来驱动末机械臂，谐波减速器安装在大臂和小臂上用于缓冲减速。

机械臂主体模块由大臂、小臂，末机械臂组成，并且还包括三个旋转关节和一个移动关节，其中旋转关节用于平面内的定位和定向，移动关节用于完成末端执行机构在垂直方向的运动，并且整个控制系统有四个自由度，包括沿X、Y、Z轴方向的平移自由度和一个绕Z轴旋转的自由度。

再具体实施例中，大臂采用APM-HCL09AMK3G203型伺服电机驱动，小臂采用APM-HBL06AMK3G203型伺服电机驱动，末机械臂采用43000size17系列的直线步进电机，

图2为本发明的电机驱动电路图，驱动器的电源来源于安装在面板上的电源，它是一个独立的模块，在连接时必须要注意正负极，决不能出现短路，否则会损坏电路，驱动器的信号端可以采用+24V的电源来提供电源，但是考虑到电路的安全性，需要加上1.5K的电阻，起到限流作用，此外，可以看出驱动器的输入端要低电平时才起作用，在选择相应的PLC来配套驱动电路时，因为可能产品的生产的厂家有所不同，且有时需要选择输出方式，所以必须用相应的电平转换板来进行电平转换，然后再接入控制电路。

表1输入信号地址分配

表2输出信号地址分配

序号	地址	功能	序号	地址	功能
						0	Y0	大臂反转	5	Y5	顶针后退
1	Y1	大臂反转	6	Y10	大臂制动
						2	Y2	小臂正转	7	Y11	小臂制动
3	Y3	小臂反转	8	Y12	顶针制动
						4	Y4	顶针前进	9	Y13	原位指示

以上表1表2是系统的输入、输出的I/O分配图，图5为本发明系统控制方式选择图，包括手动工作和自动工作，按下X17启动回原点程序，整个系统处于原点位置，如图所示系统默认为手动操作程序，低电平有效，当按下X7时跳转到自动程序，执行自动程序指令。在具体实施例中，本系统的具体工作流程为：

S1：设置初始化状态，以大臂左限位X1、小臂上限位X3和顶针后退限位X6为初始状态。

S2：按下回原位按钮，大臂反转，当碰到大臂左限位时，大臂大臂停止运动，而小臂开始反转，小臂运动到位时，即碰到小臂上限位时，小臂停止运动，顶针开始后退，当后退到顶针后退限位时，回原位结束，回原位指示灯亮，同时顶针停止运动，其回原位状态转移图如图4所示。

S3：手动工作时，用X10～X15对应的6个按钮和X16，X17控制机器人的大臂正转，大臂反转，小臂正转，小臂反转，顶针前进，顶针后退以及停止和回原位。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的互锁。例如：正转与反转之间、后退与前进之间的互锁。

S4：按下自动按钮，机器人三轴会自动在限位范围内运行，直到用户停止。原位指示灯亮，说明此时处于初始化状态，同时大臂步进电机制动被复位。碰到右限时，大臂电机制动被置位，同时小臂开始正转。碰到小臂下限位时，小臂电机制动被置位，同时顶针开始前进。碰到前限位时，顶针电机制动被置位，T0接通。保持状态500S后，三个电机制动被复位，同时顶针开始后退。碰到后限位时，直线电机制动被置位，同时小臂开始反转。当碰到小臂上限位时，小臂的自锁电机制动被置位，同时大臂开始反转。碰到大臂左限位时，大臂的步进电机制动被置位，原位指示灯亮，一个周期完成，如图3所示的系统极限位置状态转移图。

图6为本发明控制系统接线图，它是参照可编程控制器原理及应用而设计出的。从图6可知，电机所需的按钮开关为11个、而用来检测的限位开关为6个，所以一共需要17开关，其分别和PLC输入端口相连，而这只是输入元件，其输出元件一共有7个，主要包括线圈和指示灯，三个电机采用公共线和PLC COM端相连。控制系统采用的是FX系列PLC,而FX2N是FX系类中功能最强，速度最高的PLC，它的指令执行时间为0.08μs,内置的用户存储器虽然为8k,但可以扩展到16K,能充分保证I/O的分配。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，包括驱动模块、控制模块、机械臂主体模块；

所述的驱动模块用于机械臂转动；

所述的控制模块用于对电机的精准控制；

所述机械臂主体模块用于在电机控制下自由转动。

2.根据权利要求1所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，所述机械臂主体模块由大臂、小臂，末机械臂组成，并且还包括三个旋转关节和一个移动关节，其中旋转关节用于平面内的定位和定向，移动关节用于完成末端执行机构在垂直方向的运动，并且整个控制系统有四个自由度，包括沿X、Y、Z轴方向的平移自由度和一个绕Z轴旋转的自由度。

3.根据权利要求1所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，所述的驱动模块包括驱动电路、两个伺服电机和一个直流步进电机以及谐波减速器；

驱动电路通过驱动两个伺服电机分别驱动大臂和小臂，通过驱动直流步进电机来驱动末机械臂，谐波减速器安装在大臂和小臂上用于缓冲减速。

4.根据权利要求3所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，驱动大臂的伺服电机采用的型号为APM-HCL09AMK3G203型电机。

5.根据权利要求3所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，驱动小臂的伺服电机采用APM-HBL06AMK3G203型电机。

6.根据权利要求3所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，直流步进电机采用43000size17系列的直线步进电机。

7.根据权利要求1所述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，所述的控制模块包括PLC、关节伺服控制器、传感器、控制面板，A/D转换器；

控制模块通过控制面板上分布的各种功能的按钮进行人为控制、自动控制以及回原位控制，传感器连接于按钮，PLC通过输出运动参数信号，并且运动参数信号经过A/D转换控制驱动器，进而控制电机的主要的运动参数。

8.根据权利要求7述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，PLC采用的型号为三菱系列的FX2N-32MR。

9.根据权利要求8述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，所述PLC采用闭环控制。

10.根据权利要求8述的一种关于SCARA型机器人的控制系统，其特征在于，所述PLC控制程序分为初始化程序、回原位程序、手动程序和自动程序。