基于PLC的工业机器人控制系统设计与实现

电气_空空

1584人浏览 · 2025-11-24 15:02:30

电气_空空 · 2025-11-24 15:02:30 发布

【摘要】针对传统工业机器人控制系统存在的柔性差、集成度低等问题，提出了一种基于可编程

逻辑控制器（PLC）的工业机器人控制系统设计方案。该方案采用模块化设计思路，通过PLC实

现运动控制、轨迹规划、信号处理等功能，并选用高性能伺服驱动系统和传感器，构建了一套高

度集成、实时性强的机器人控制系统。

关键词：工业机器人；可编程逻辑控制器（PLC）；控制系统

1 引言

工业机器人作为智能制造的核心装备，在现代工业自动化生产中发挥着日益重要的作用。据国际机器人联合会（IFR）统计，2019 年全球工业机器人的年销量突破37.3万台，同比增长12%，中国已连续8年成为全球第一大工业机器人应用市场。

2 工业机器人的发展现状

工业机器人经过多年的发展，已成为现代工业自动化的关键支撑技术和智能制造的核心装备。随着人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术的飞速发展和制造业转型升级的深入推进，工业机器人正朝着智能化、网络化、柔性化的方向加速演进。工业机器人的应用范围不断拓展，从传统的汽车、电子等离散制造业，向航空航天、船舶、食品、医药等行业渗透，在焊接、喷涂、装配、搬运、码垛等工艺流程中发挥着越来越重要的作用。工业机器人的性能不断提升，机器人本体的速度、精度、稳定性、可靠性等指标持续优化，控制系统的实时性、柔性、集成度不断增强，传感与感知、人机交互、自主决策等智能化技术加速融合，推动工业机器人向高端化、智能化方向发展。我国高度重视工业机器人产业发展，将其列为战略性新兴产业予以重点培育，“十三五”以来，国务院、工信部等部门密集出台了一系列产业规划和扶持政策，引导工业机器人产业加快关键核心技术攻关，促进机器人与智能制造深度融合，推动机器人产业高质量发展。

3 基于PLC的工业机器人控制系统设计

3.1 基于系统总体架构设计PLC的工业机器人控制系统是一种高度集成

实时性强、可靠性高的自动化控制系统，系统以 PLC 为核心控制单元，通过现场总线实现与伺服驱动系统、传感器、人机界面等外部设备的互联互通，基于模块化设计思路构建开放、灵活、可重构的系统架构。在顶层，央控制系统负责接收生产任务，对机器人运动进行宏观调度。其将生产任务分解为一系列可执行的动作指令，通过工业以太网下发给 PLC。PLC 接收动作指令后，综合编码器、视觉传感器等设备的反馈信息，通过运动控制算法实现机器人关节的伺服控制。 PLC 通过DeviceNet 等现场总线，采集各类传感器的检测数据，实现对机器人运行状态的实时监控。硬件层面，机器人本体通过末端执行器与外部环境互动，并配有多关节伺服电机执行运动指令。各关节装有高精度编码器，实时反馈关节位置、速度等信息。机器人还集成了视觉、力觉等智能传感装置，获取作业环境的图像、力矩等信息，提升机器人的环境感知与自适应能力。控制柜内集成PLC、伺服驱动器、电源、通信模块等核心单元，通过标准机架实现各模块的插装与互连。

3.2 硬件设计

（1）PLC 选型。PLC 选型需要综合考虑机器人的自由度、控制轴数、应用工艺等因素，兼顾技术性能和经济成本。对于一般 6 轴工业机器人，控制系统需具备 6~8个高速脉冲输出通道，用于控制各关节伺服电机。PLC需支持工业以太网通信功能，如 EtherCAT、PROFINET等，以便与上位机、人机界面实现高速数据交换。系统还需配备一定数量的数字量I/O通道，采集限位开关、急停按钮等信号。对于一些力控应用场合，PLC 还需具备模拟量采集和处理能力，接收六维力传感器反馈的信号。综合考虑性能需求和成本预算，选用西门子 S7-1500系列、三菱iQ-R系列、欧姆龙NJ系列等高性能PLC产品，其通用运动控制功能和开放的软硬件架构，满足工业机器人控制系统的一般需求。

（2）伺服驱动系统设计。伺服驱动系统是机器人运动控制的执行单元，直接影响机器人的动态特性和控制精度。驱动系统的设计需要匹配机器人本体的速度、力矩等技术参数，并兼顾调试的便利性。对于中小型工业机器人，多选用交流永磁同步电机作为伺服电机，其具有转速高、力矩大、惯量小等特点，获得优异的动态响应特性。驱动器一般采用数字化、智能化的交流伺服驱动器，如安川Σ-7系列、松下MINASA6系列等，其内置多种控制算法，支持多种通信协议，灵活适应不同工艺需求。此外，驱动器一般配有制动单元，在断电等异常情况下迅速切断电源，保证机器人的安全可靠运行。在布线方面，驱动器与控制器之间一般采用总线连接方式。以EtherCAT 为例，其具有通信速率高、同步性好、支持“运动控制”协议（CoE）等优势，通过标准以太网电缆即实现运动控制指令的高效传输。在使用中，驱动参数的整定对机器人性能影响重大，根据机器人的机械参数和负载特性，合理设定速度环、位置环的控制增益，并进行反复调试，在获得最佳动态响应的兼顾运行平稳性。

（3）传感器选型与布置。传感器是机器人感知内外部环境、实现智能控制的重要手段。科学合理地选择传感器类型并优化布局方案，对提升机器人的环境适应性、自主性至关重要。一般工业机器人配备的传感器主要包括：关节编码器、六维力/力矩传感器、机器视觉传感器等。其中编码器直接影响机器人运动控制的精度稳定性，多数机器人采用多圈绝对值编码器，安装在关节电机主轴上，提供高达 20 位的分辨率，在掉电后也能记忆关节位置，是机器人运动控制不可或缺的反馈装置。当机器人需要精确控制与环境的接触力时，末端执行器上需安装六维力/力矩传感器，实时检测机器人手爪与工件的作用力/力矩，并将其分解到笛卡尔空间，用于机器人力控和柔顺控制。对于一些复杂装配、精密插装等任务，机器人还需配备机器视觉系统，通过工业相机采集作业场景图像，运用视觉处理算法提取目标位姿信息，引导机器人自主完成作业。

3.3 软件设计

（1）PLC 程序设计。PLC 程序是机器人控制系统的核心，其设计的合理性直接决定了机器人的运动性能和工作效率。采用模块化、结构化的程序设计思想，提高程序的可重用性和可维护性。总体上，PLC 程序可分为初始化、主程序、中断服务3大模块。初始化程序负责上电时的硬件检测、参数设置、变量初始化等，为机器人进入自动运行状态做准备。主程序采用顺序扫描的方式，周期性执行机器人的运动控制任务。其基本步骤包括：读取编码器等传感器反馈值，计算各关节电机的位置偏差和速度给定，经坐标变换输出到伺服驱动器，驱动电机运动。响应来自示教器、安全急停等外部信号，作出相应动作，主程序还须进行规划器、插补器等功能的调用，实现机器人轨迹规划、速度前瞻等任务。中断服务程序有效提高PLC的实时响应能力。

（2）人机界面设计。人机界面（HMI）是操作者与机器人控制系统交互的重要工具，应满足操作简单、显示直观、界面美观的要求。采用模块化设计方法，使人机界面程序的开发与调试更加高效灵活。总体上，人机界面分为设置管理、程序管理、状态监控、故障诊断、数据管理等功能模块。设置管理界面用于设置机器人的坐标系参数、运动参数、安全参数等，并将其传送至PLC。程序管理界面用于创建、修改、保存机器人的动作程序，并将程序下载到PLC，状态监控界面用于实时显示机器人的位置、速度、加速度、轴负载等信息，同时显示I/O信号状态。

（3）通信协议设计。通信协议是机器人控制系统内部各单元间进行数据交换的规则和标准，其设计影响信息传输的实时性、可靠性和互操作性。针对EtherCAT等工业以太网，采用 CANopenoverEtherCAT（CoE）协议，实现运动控制、I/O信号处理的标准化。CoE将CANopen对象字典映射到EtherCAT数据帧上，规定了周期性同步位置、速度等过程数据（PDO）和非周期性参数数据（SDO）的传输机制，满足机器人控制对实时性的苛刻要求。针对现场总线如 Profibus-DP、DeviceNet，需开发相应的通信功能块，将 PLC数据区与总线的 I/O映射表建立关联，以便PLC程序通过读写映射区访问现场设备的数据。对于Modbus、串口等简单通信媒体，将协议功能封装为相应的通信指令，嵌入PLC程序。

4 基于PLC的工业机器人控制系统实现

（1）硬件连接与调试。硬件连接是将机器人控制系统的各个部件有机结合为一个整体的关键环节，根据机器人控制柜的布局图，将PLC、伺服驱动器、电源模块、通信模块等部件固定在相应的导轨和安装板上，保证部件安装牢固、不易松动。按照系统配线图，利用单芯线、双绞线、总线电缆等进行内部配线，动力线缆应选用截面积足够大的多股软导线，并套装必要的屏蔽层，以降低电磁干扰；信号线缆应采用带屏蔽层的双绞线或总线专用电缆，屏蔽层一端接地，减少信号的串扰和衰减。配线时还应做好端子排的编号和标识，沿线槽整齐铺设，避免互相缠绕。控制柜接线完成后，进行绝缘、耐压等电气安全测试，确保系统的电气安全，PLC与编程设备之间通过以太网电缆或 USB 线相连，为程序的下载、在线监控创造条件。伺服驱动器与电机之间通过动力电缆、编码器反馈电缆连接，实现对电机的控制。机器人本体与控制系统之间通过专用的拖链电缆连接，一端与机器人底座的接线盒相连，一端引入控制柜的预留接口。拖链电缆汇集了机器人所有关节的动力、编码器、制动、I/O等信号，电缆芯数和长度需满足机器人的技术要求。传感器与 PLC之间利用总线电缆或模拟量电缆连接，传输传感器采集到的信号，为确保良好的通信质量，传感器供电应采用独立的开关电源，并接入滤波电路。

（2）软件编程与调试。软件编程与调试是开发机器人控制系统功能、优化系统性能的核心环节。PLC程序的编写必须在硬件配置完成后进行，根据硬件布局在 PLC软件中进行硬件组态，即标明各个硬件单元的型号和安装位置。对 PLC进行通信组态，设置 PLC与其他站点设备的通信协议、通信周期、超时时间等参数。硬件和通信组态完成后，即可利用PLC软件提供的梯形图、指令表等

编程语言编写控制程序。程序编写遵循模块化设计原则，将系统功能分解为诸多独立的程序模块，再进行系统集成。例如，机器人的运动控制程序分解为运动学逆解、轨迹插补、伺服控制等子程序。子程序应尽量简练，重复使用，便于维护，程序调试时通过软件仿真、单步执行等手段，检查程序的逻辑错误。必要时采用软硬件联合仿真技术，搭建包含PLC、伺服驱动器、机器人虚拟样机等部件的闭环仿真环境，在线调试 PLC程序，优化控制算法，避免损坏实物设备。联合调试时通过PLC软件强大的数据监控功能，实时监控PLC程序的运行状态，并根据监测结果优化程序，提高系统性能，注意调试过程的安全性，采取软件限位、力矩限制等措施，防止程序错误导致设备损坏。

（3）系统集成与测试。系统集成是将机器人、控制系统、外围设备等集成为一个有机整体，并进行联调联试，最终交付使用的过程。根据机器人的工作空间、动力学参数等，合理布置三维空间的安装位置，并采用减振基座、安全防护等措施保障作业安全。控制系统与机器人本体严格按照接口规范进行对接，做好电缆防护和屏蔽接地，必要时加装信号隔离模块。外围设备如智能相机、力传感器等，与机器人末端法兰、腕部装配固连，并调整至最佳工作姿态。系统上电前，对电气连接进行通断、绝缘测试，连接可靠方可加电。上电后，先采用示教器或矩阵键盘点动机器人，测试各关节的运动状态，然后空载运行机器人，在低速状态下测试 PLC 程序功能。测试时示教器应处于使能状态，随时准备切断电源，重复测试多次，确认系统功能正常后，即可在额定负载、额定速度下进行标准工艺动作测试。