基于PLC的液压机械臂控制技术研究

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　　摘 要
　　针对液压机械臂，介绍了机械臂结构、关键传感器类型，基于机器人运动学及三维模型运动仿真拟合出运动方程，通过PLC控制器基于PID算法的速度闭环控制及位置闭环控制，最终实现了机械臂末端装置水平及垂直位移。
　　关键词
　　液压机械臂;机器人运动学;同步运动;PID闭环控制
　　中图分类号： TP241        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.034
　　Abstract
　　For the hydraulic manipulator，the structure of the manipulator and key sensor types are introduced.Based on the robot kinematics and three-dimensional model motion simulation，the motion equations are fitted.The speed closed-loop control and position closed-loop control of the PLC algorithm based on the PID algorithm are finally implemented The horizontal and vertical displacement of the arm end device.
　　Key Words
　　Hydraulic mechanical arm;Robot kinematics;Synchronized motion; PID closed-loop control
　　0 引言
　　工業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。机械臂是工业机机器人中的一种重要类型，通过机器人运动学及PID控制原理控制机械连杆完成机械臂转动、移动或复合运动，实现机械臂末端装置规定路径运动、姿态调整、位置监控等功能。
　　1 液压机械臂结构
　　机械臂关键部件如图1所示：包含液压油缸、旋转基座、旋转装置。
　　各关键部件描述：
　　机械连杆长度：L1、L2、L3;
　　液压油缸伸缩长度：l1、l2、l3;
　　基座旋转角度：C1;
　　装置旋转角度：C2;
　　液压油缸l1、l2、l3带4～20mA位移反馈传感器，旋转基座C1和旋转装置C2带SSI绝对位置编码器。
　　2 液压机械臂控制需求
　　控制如图2所示：末端装置在X方向（水平）或Y方向（垂直）位移由三根液压油缸的同步运动实现。
　　2.1 解锁装置，一键展开
　　机械臂从锁定位置一键展开到作业零点位置。
　　2.2 运动模式选择。
　　速度控制模式+速度值选择。
　　位置控制模式+位移量选择。
　　2.3 装置运动到指定位置作
　　通过操作面板控制机械臂基座和装置旋转角度，操作装置运动到指定位置，启动相关作业装置进行作业。
　　2.4 一键收回，锁定装置
　　机械臂从作业位置一键收回到锁定位置。
　　3 机械臂控制策略
　　机械臂可简化为图3所示：基准坐标系（x0，y0），运动坐标系（xp，yp）。机械连杆长度L1、L2、L3，连杆关节角θ（关节角顺时针为负逆时针为正）。
　　机械臂正运动学：正运动学描述械臂末端位置和姿态跟各关节变量在坐标系中的几何函数关系。
　　机械臂逆运动学：给定机械臂末端位置和姿态，通过逆运动学可以计算所以可达给定位置和姿态的关节角。
　　本PID控制器具有抗积分饱和功能并且能够对比例作用和微分作用进行加权。通过加载不同的PID参数实现油缸的速度控制或位置控制。
　　5 结语
　　该液压机械臂的控制系统、控制算法策略、功能需求及控制精度满足作业需求。该项技术通过PLC控制器实现了液压机械臂末端装置水平及垂直位移。
　　参考文献
　　[1]John J.Craig（美），贠超，等译.机器人学导论[M].北京机械工业出版社.06/2006.
　　[2]SIEMENS.SIMATIC S7-1200，S7-1500 PID控制功能手册.12/2017.
　　[3]中国铁建高新装备股份有限公司.机械臂控制需求及操作手册[S].2019.
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