兩自由度并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

趙洪剛 李紅利

摘 要：機械手是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工具，機械手是根據(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，利用伺服電機作為機械手驅(qū)動單元，通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動器、上位機之間的通信連接。應(yīng)用Sysmac Studio軟件編程實現(xiàn)機械手路徑規(guī)劃和抓取運動控制，設(shè)計了機械手監(jiān)控畫面。實驗表明，機械手可實現(xiàn)物品的快速自動抓取，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：機械手；PLC；伺服電機；路徑規(guī)劃

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

0 引言

工業(yè)機械手有多個自由度，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)機械手適合在二維平面內(nèi)高速運動，長距步進的場合。

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

機械手由控制系統(tǒng)（PLC）、驅(qū)動機構(gòu)（伺服電機）和執(zhí)行機構(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確的抓取物品并能夠移動到指定的位置。機械手有直線和曲線兩種運動形式。機械手控制系統(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，從而控制機械手的運動軌跡。

1.2 機械手運動路徑的規(guī)劃

機械手工作的路徑由一系列坐標點組成，通過控制器進行直線插補和圓弧插補。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃如圖2所示。圖3是機械手在實際運行過程中適合精確抓取的運動路徑，因為在運行過程中的C點和D點處有直角的過渡，此時可能會有機械手的突然加速和加速度的變化，機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 運動控制程序設(shè)計

對兩自由度并聯(lián)機械手運動軌跡控制的控制將變成控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。而機械手運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)機械手機械零點的確定由兩個伺服軸分別確定機械零點構(gòu)成。點動調(diào)整、直線插補運行和圓弧插補運行分別有專用的運動控制指令完成，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)、機械手位置顯示區(qū)、循環(huán)周期顯示區(qū)、機械手運動軌跡顯示區(qū)、伺服電機控制區(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)了人機界面，實現(xiàn)了人和機械手的信息交流。實驗表明，操作界面友好，控制系統(tǒng)安全、可靠，運行高效。

參考文獻：

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

[2]張志強.PLC在工業(yè)機械手控制系統(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。