PLC控制机械臂设计要点
一、项目概述
PLC控制的机械臂是工业自动化领域的核心设备，广泛应用于装配、焊接、搬运等场景。本指南将系统讲解从机械结构设计、伺服系统选型到PLC编程控制的完整技术方案，并提供可落地的工程实现方法。
二、机械臂系统架构设计
1.典型机械臂类型对比
类型 自由度 工作范围 负载能力 适用场景
直角坐标 3-5轴 矩形空间 5-50kg 精密装配
关节型 4-6轴 球面空间 3-20kg 焊接/喷涂
SCARA 4轴 圆柱空间 1-10kg 高速分拣
并联 3-6轴 小空间 1-5kg 精密定位
推荐选择：6轴关节型机械臂（平衡灵活性与负载）
2.核心子系统划分
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[PLC控制器]→[伺服驱动器]→[伺服电机]
↓
[气动电磁阀]←[I/O模块]←[传感器反馈]
三、机械结构设计要点
1.关键部件选型
(1)传动方式选择
谐波减速器（推荐）
型号：HD-17-100（减速比1:100）
特点：零背隙、高刚性，适合关节1-3轴
行星减速器
型号：PL90-5（减速比1:5）
适用：大扭矩低转速场景（如底座旋转）
(2)结构材料
部件 推荐材料 加工要求
基座 铸铁HT250 时效处理
大臂 铝合金7075 CNC精加工
小臂 碳纤维管 壁厚≥3mm
轻量化设计：采用拓扑优化算法减重20%-30%
2.运动学参数计算
(1)D-H参数表（6轴示例）
关节 θ(°) d(mm) a(mm) α(°)
1 θ1 350 50 -90
2 θ2 0 300 0
... ... ... ... ...
(2)工作空间仿真
使用MATLABRoboticsToolbox验证可达性
典型6轴工作空间：半径800mm球体
四、电气控制系统设计
1.PLC选型与配置
(1)控制器选型
型号 特点 适用轴数 通信方式
西门子S7-1200 支持PROFINET ≤4轴 EtherCAT
三菱Q系列 多CPU协同 6-8轴 CC-Link
倍福CX9020 软PLC方案 高精度 EtherCAT
推荐配置：三菱Q06UDEHCPU+Q172DSCPU（6轴运动控制）
(2)I/O分配示例
python
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#输入点
X0~X3:极限开关
X4:急停信号
X5~X7:光电传感器
#输出点
Y0~Y2:气爪控制
Y10~Y15:伺服使能
2.伺服系统设计
(1)伺服电机选型
轴号 型号 额定扭矩 编码器分辨率
J1 安川SGM7G-1EA6C 6N·m 20bit绝对值
J2 松下MINASA6B 4N·m 23bit多圈
选型公式：
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电机扭矩≥(负载扭矩+惯性扭矩)×安全系数(1.5~2)
(2)驱动器参数设置
ini
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[基本参数]
P0-02=1#控制模式=位置
P1-01=1000#电子齿轮分子
P1-02=1#电子齿轮分母
P2-10=3000#位置环增益
3.安全电路设计
双回路急停：硬件急停串联PLC输入
安全继电器：基恩士G9SA-301实现STO功能
光栅防护：欧姆龙F3SG-SR检测入侵
五、PLC程序设计详解
1.运动控制指令
(1)三菱运动指令
assembly
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MOVK100D100#目标位置
DRVIK5000K300D100Y0#相对定位指令
(2)多轴插补
st
MC_MoveAbsolute(
Axis:=Axis1,
Position:=100.0,
Velocity:=50.0,
Acceleration:=10.0);
2.典型功能块实现
(1)示教编程
ladder
|--[X10]--[MOVD200D300]--|#记录当前位置
|--[X11]--[CALLP100]------|#执行示教轨迹
(2)误差补偿
反向间隙补偿：在定位指令后追加补偿脉冲
温度补偿：通过PT100检测温漂并修正D-H参数
3.通信协议
(1)ModbusRTU配置
ini
波特率=19200
数据位=8
停止位=1
校验位=Even
(2)EtherCAT同步
周期时间：1ms
PDO映射：0x6040状态字，0x6064位置值
六、系统调试流程
1.分步调试方法
单轴调试
测试伺服使能/报警清除
验证JOG正反转运动
坐标系校准
使用激光跟踪仪标定工具中心点(TCP)
误差要求：重复定位精度≤±0.02mm
轨迹验证
绘制标准圆轨迹（直径100mm）
圆度误差检测（需≤0.1mm）
2.常见故障处理
现象