兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

趙洪剛 李紅利

摘 要：機(jī)械手是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工具，機(jī)械手是根據(jù)人類手臂功能而設(shè)計的，對現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有著極其重要的作用。針對兩自由度并聯(lián)機(jī)械手，采用歐姆龍NJ-1500系列CPU作為核心控制器，利用伺服電機(jī)作為機(jī)械手驅(qū)動單元，通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動器、上位機(jī)之間的通信連接。應(yīng)用Sysmac Studio軟件編程實現(xiàn)機(jī)械手路徑規(guī)劃和抓取運(yùn)動控制，設(shè)計了機(jī)械手監(jiān)控畫面。實驗表明，機(jī)械手可實現(xiàn)物品的快速自動抓取，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；伺服電機(jī)；路徑規(guī)劃

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.123

0 引言

工業(yè)機(jī)械手有多個自由度，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展起來的一種代替人類勞動力的自動化生產(chǎn)設(shè)備，通過程序控制來完成各種工作任務(wù)[1]。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，模仿了人類手臂的一些結(jié)構(gòu)特點，在性能上，具有比人手更優(yōu)越的一些特點[2]。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展和自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)食品加工、包裝、物流等工作方面節(jié)省勞動。兩自由度并聯(lián)機(jī)械手適合在二維平面內(nèi)高速運(yùn)動，長距步進(jìn)的場合。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

機(jī)械手由控制系統(tǒng)（PLC）、驅(qū)動機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（平動盤）組成，如圖1所示。從主動臂的作用是輔助平動盤來準(zhǔn)確的抓取物品并能夠移動到指定的位置。機(jī)械手有直線和曲線兩種運(yùn)動形式。機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計的主要因素包括工作的順序、被抓取物體的重量、抓取過程中的運(yùn)動時間、物體抓、放的位置等。控制動作包括點動控制和自動連續(xù)控制。控制系統(tǒng)是根據(jù)被抓物體的位置和機(jī)械手動作的要求來編寫程序，然后根據(jù)編寫好的程序，從而控制機(jī)械手的運(yùn)動軌跡。

1.2 機(jī)械手運(yùn)動路徑的規(guī)劃

機(jī)械手工作的路徑由一系列坐標(biāo)點組成，通過控制器進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃如圖2所示。圖3是機(jī)械手在實際運(yùn)行過程中適合精確抓取的運(yùn)動路徑，因為在運(yùn)行過程中的C點和D點處有直角的過渡，此時可能會有機(jī)械手的突然加速和加速度的變化，機(jī)械手會有巨大的噪音和劇烈的抖動，所以在拐角處設(shè)計為圓弧來對這種不足加以抑制。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 運(yùn)動控制程序設(shè)計

對兩自由度并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動軌跡控制的控制將變成控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。而機(jī)械手運(yùn)動軌跡的控制程序又包括許多控制模塊。如系統(tǒng)初始化、點動功能、回零功能、自動運(yùn)動控制、故障診斷等模塊。系統(tǒng)核心功能主要有點動調(diào)整、自動運(yùn)行、回零操作以及最大加速度與速度的設(shè)定、初始定位等功能。該兩自由度并聯(lián)機(jī)械手機(jī)械零點的確定由兩個伺服軸分別確定機(jī)械零點構(gòu)成。點動調(diào)整、直線插補(bǔ)運(yùn)行和圓弧插補(bǔ)運(yùn)行分別有專用的運(yùn)動控制指令完成，編程時將ST語言和LD語言相結(jié)合。

2.2 操作界面設(shè)計

根據(jù)機(jī)械手要完成的動作要求和控制系統(tǒng)的要求，利用CX-Designer軟件設(shè)計HMI，如圖4所示。設(shè)計的操作界面包括按鈕控制區(qū)、狀態(tài)指示燈區(qū)、機(jī)械手位置顯示區(qū)、循環(huán)周期顯示區(qū)、機(jī)械手運(yùn)動軌跡顯示區(qū)、伺服電機(jī)控制區(qū)、故障處理區(qū)。

3 結(jié)論

以O(shè)MRON NJ系列PLC為核心硬件控制平臺，設(shè)計中采用了ST語言和LD語言相結(jié)合，使得在編寫程序的過程中調(diào)用靈活。規(guī)劃了運(yùn)動學(xué)算法模型，選取最優(yōu)路徑，構(gòu)建了控制系統(tǒng)合理的軟件構(gòu)架，開發(fā)了人機(jī)界面，實現(xiàn)了人和機(jī)械手的信息交流。實驗表明，操作界面友好，控制系統(tǒng)安全、可靠，運(yùn)行高效。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈博.電動吸盤式分揀機(jī)械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2018，26（06）：77-80.

[2]張志強(qiáng).PLC在工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與技術(shù)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（11）：129.

作者簡介：趙洪剛（1977-），男，遼寧凌源人，碩士，高工，研究方向：電網(wǎng)規(guī)劃、需求側(cè)管理、能源咨詢。