通用上下料机器人控制系统设计
图2-4 关节式机械手
上述四种坐标型式主要根据手臂的运动来确定的，也可以由某二种坐标型式组合起来应用。
机械手坐标型式的正确选择，要通过坐标型式方案的比较来确定。在拟定坐标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、、安装空间的要求，结合各种坐标型式的特点来分析比较，确定比较合理的坐标型式。本方案考虑通用性，精度，搬运物等综合考虑选用圆柱坐标式机械手。
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3 控制方案
3.1 系统控制器的选择
工业机器人的运动控制器是控制技术与运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合编程软件、运动轨迹控制、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需要对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况做出及时反应。目前先进的运动控制器主要是以微机(PC)为基础的数字化控制系统、以高速的数字信号处理器(DSP)为核心的全数字化控制系统和以PLC为核心的全数字化控制系统。
(1)基于PC技术的运动控制器
计算机技术的发展在工业控制领域也同样导致技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用PC技术的工业PC的涌现，大大推动和促进了开放式运动控制的发展。基于工业PC的运动控制器可以利用PC强大的软件环境和技术支持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便。从软件上看，其主要作用是利用其高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，实现更高的控制算法、轨迹插补算法和补偿算法，从而丰富运动控制软件，并大大提高伺服扫描速度，提高系统的分辨率，以实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小程序段以高速度、高精度实现轨迹形状复杂的曲线或曲面。
(2)基于DSP运动控制器
20世纪90年代以来，数字信号处理（简称DSP)在运动控制器中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，它利用控制器本身独特的硬件结构可以实现快速的硬件位置捕捉功能。DSP系统具有接口方便、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便等优点，目前市场上已出现了多种DSP型的高级运动器，这些芯片能同时控制多轴，有的己包含了运动轨迹插补运算及包含有前馈补偿功能的算法，这为多轴伺服电机的控制带来了极大的方便。但由于DSP技术更新的速度快、数学知识要求多，开发和调试工具还不完善，轨迹控制，多轴联动参数匹配等
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需通过编制程序来实现，掌握对机械手的控制比较困难。
(3)基于PLC的运动控制
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。随着PLC的发展，出现了更多的功能强大的指令，这些指令本身在单操作的意义上提供了更强的计算能力，特别是运动控制指令和在网络通讯方面功能更加强大，命令支持各种运动功能，实现多轴协调控制、高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制，能够满足高性能工业机器人位置和运动精度要求。
虽然采用基于PC的运动控制器和基于DSP运动控制器也能够实现机械手的运动控制，但是采用PLC的控制接线简单，只需通过运动控制指令便可实现对机械手的运动控制，由PLC构成机械手控制器，硬件配置的工作量较小，无需作复杂的电路板，只需在端子之间接线。因此本设计选用PLC为机械手运动控制器
[2]
。
3.2 PLC的基本知识
PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术应时出现并快速发展。
目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。 PLC可以不断更新发展在产业发展，是因为它更适合于工业领域和市场的需求：可靠性高，能力强，抵御各种干扰，编程简单安装使用，使用寿命长，价格低。它更接近现场设备的输入/输出端，中间，或不需要加多少部分需要更
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多的接口，这样可以节省用户的安装时间，更多的用户，以降低成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。用户在应用它时，不需要进行专门的计算机培训，就能对PLC进行基本操作及编程。
总之，可编程控制器像是计算机，一台为了专门应对工业生产环境而设计的计算机。它有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不是针对某一具体工业应用，在实际应用时，某硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 PLC的优点
(1)实时性，可靠性
实时性是电气控制设备的前提性能。PLC产品的设计的开发是基于控制前提的，所以它的信号处理时间短，速度快。它的实时性使它经常用于处理联锁保护工业控制装置，能满足各种工业领域的大、中、小型工业控制项目。
可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统就具有极高的可靠性。
(2)配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，产品种类繁多，规模分成了大、中、小各种规模的系列化产品。I/O卡种类丰富，可以根据工控的不同要求进行不同的配置，适用于各种规模的工业控制场合。现代PLC除了逻辑处理功能以外，还大多具有比较完善的数据运算能力，能够适用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，能够让PLC轻松实现位置控制、温都控制、CNC机床控制使。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
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(3)安装简单，易学易用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它可以在各种工业环境下直接运行，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，直观性强，只需用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。使不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制变得非常便捷。
(4)安装简单，维修方便
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
(5)体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积很小很容易装入工业机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备[６]。
3.3 PLC、电机选型
1 PLC机型的选择
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。 进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。
2 输入/输出的点数：
I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般
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