并聯機械手在零件檢測和分揀上的應用

摘要：本文主要介紹了并聯機械手在零件檢測和分揀工作中的應用，以便于為企業節約人力成本、提高工作效率，滿足工業自動化的要求。該裝置主要采用PLC控制方式實現機械手的動作要求。

關鍵詞：并聯機械手 PLC

在電子、輕工、食品和醫藥等行業中，通常需要采用機械手來完成物料的高速拾放操作。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。與串聯構型相比，有重負荷比小等優點，特別并聯機械手因采用閉鏈結構，具有剛度大、精度高、承載能力強等特點，非常適合于高速操作。現結合視覺傳感器和西門子PLC控制2自由度并聯機械手來實現零件的檢測和分揀工作，以實現檢測和分揀工作的高速自動化。

1 零件檢測

機器視覺系統的輸入裝置可以是攝像機、轉鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計算機的就是三維感觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機器視覺系統所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。機器視覺系統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。

①先設定零件檢測條件。檢測零件外觀是否正常，長度為29.00mm～30.00mm，檢測精度±0.015mm。寬度為14.00mm～15.00mm，檢測精度±0.015mm。②再設定輸出信號。若檢測到不符合要求的零件，由視覺傳感器產生一個控制信號給控制機械手運動的PLC控制單元，使其對機械手發出一個抓取指令，從而完成一次分揀。③檢測精度控制。為了取得良好的檢測效果，我們決定采用130萬像素的高精度視覺產品并配合高穩定度平行背光源來完成檢測任務。將相機垂直安裝在檢測面的上方，背光源垂直于檢測面下方，并使相機、被測物的檢測面、光源保持在同一軸面，這樣就可以利用直徑檢測工具精確的測量出彈帶部和定心部的直徑。④檢測過程。當鋰電池到達檢測工位時，機械部分給傳感器一個觸發拍照信號，然后視覺系統按預先的設定，將標準圖形與此次拍照得到的圖形作對比，系統自動調整和平移坐標，調整到正確的檢測位置得到圖形檢測標準位置，再按照預先的設置計算需要檢測的目標數據，最后將結果輸出給PLC控制器。整個檢測周期不超過200毫秒。

2 機械手結構

采用具有兩平動自由度的高速并聯機械手機構。該高速機械手由兩條主動支鏈、兩條被動支鏈、一個動平臺和一個靜平臺組成。兩條被動支鏈的輸出桿以不同的角度與動平臺固聯，使兩條被動支鏈不會同時處于奇異形位，從而可靠地約束動平臺的轉動。采用兩條被動支鏈還可提高機械手在與其工作平面垂直方向的剛度。每條主動支鏈含有一條主動臂和一條從動臂。主動臂與靜平臺相聯的轉動副作為機械手的主動輸入關節，以實現機構在其工作平面內的高速運動。該并聯機械手具有兩個平動自由度。當該機械手用于拾放操作時，一般要求安裝在動平臺上的夾持器在一個寬度較大、高度中等的矩形區域內運動。因此，在機構的可達工作空間中選取一個寬為b、高為h、與靜平臺相距H的矩形區域，作為機械手的任務工作空間。需要指出的是，矩形任務空間不一定能選取為機構可達工作空間的最大內切空間，因為最大內切空間內可能包括一些操作性能較差的點或區域。

3 電動機的選擇

正是需要機械手能夠高速、高精度的運動，故而需要它的控制電機具有以下特點。①快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間響應短。響應指令信號的時間越短，電伺服系統的靈敏度越高，快速響應性能越好，一般是以伺服電動機的機電時間常數的大小來說明伺服電動機快速響應的性能。②起動轉矩慣量比大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的啟動轉矩大，轉動慣量小。③控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似的成正比。④調速范圍寬。能用于1：1000～10000的調速范圍。⑤體積小、質量小、軸向尺寸短。⑥能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。

目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛應用，一般負載1000N（相當于100KG）以下的工業機器人大多采用電伺服系統。所采用的關節驅動電動機只要是AC伺服電動機，步進電動機和DC伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機均采用位置閉環控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統中。步進電動機驅動系統多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環系統中。交流伺服電動機由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環境中得到了廣泛的應用。機器人關節驅動電動機的功率范圍一般為0.1-10kW。

直流電動機具有良好的控制性能、較大的啟動轉矩，還具有相對功率大和相應速度快等優點，但是由于有電刷，結構復雜，成本較高，易產生火花，而且較大的啟動轉矩不適合機械手的迅速啟動，還會加大機械手的功耗，所以，直流電動機不符合要求。

永磁同步電機是隨著電子技術的發展而出現的一種較新型的電動機。他以電子換向器取代了傳統直流電機的電刷換向，因此，又成為無刷電動機。他既保持了直流電動機的優點，又避免了直流電動機因電刷而引起的缺陷。這種電動機調速范圍寬、啟動迅速、機械特性和調節特性線性度好、壽命長、維護方便、可靠性高、噪聲較小、不存在換向火花、不會產生對無線電信號的干擾，可用于直流電動機不能應用的易燃易爆場合；但其控制結構復雜，成本較高，目前低速時轉速均勻性較差，有可能會造成低俗轉動時的失步，所以，永磁同步電動機也不符合2自由度并聯機械手對電動機的要求。

交流感應電動機具有結構簡單、運行可靠、制造使用維修方便、價格便宜等優點，在工業及家用電器中，作為機械裝置的動力，通常被廣泛應用于開環恒速的場合。但是其啟動電流偏大，過載能力、效率和功率等因素均較低，噪聲也較大，所以最佳選用電動機。

步進電動機又稱脈沖電動機。他采用變磁阻原理產生電磁轉矩，將數字的電脈沖輸入轉換為模擬的輸出軸運動。每輸入一個脈沖，旋轉式步進電動機的輸出軸轉動一步，因此，當輸入一串脈沖序列時，輸出軸就以等增量的轉角響應該輸入序列，輸出步數等于輸入脈沖個數，轉速與輸入脈沖頻率成正比。而且步進電動機的轉動慣量小，能迅速提供較大的轉矩，能夠迅速換向，調速范圍較寬。

綜上所述，2自由度并聯機械手選用步進電動機作為伺服電動機，選擇步矩角較小的，以滿足機械手的精確控制，同時要有足夠高的電流以便能在瞬間啟動、停轉。

4 PLC的控制

西門子S7-200PLC具有體積小、速度快、通信能力強、可靠性高、功能全面等優點。他適用于各行各業，各種場合中的自動檢測、檢測及控制等。現選用兩個西門子S7-200PLC控制兩個步進電動機。首先假設一條動平臺末端將要行進的軌跡，即從靜止位置P0向傳送帶移動，移動至P1后向下抓取合格的產品后迅速移動到P1，然后水平移動經過P1、P0、P1，放下產品，再回到P0位置的單次過程。用MSC.ADAMS仿真軟件進行運動學逆解后得到左右兩個步進電動機的運動曲線圖。對比曲線，將其分別擬合成三次樣條函數并作鏡像處理，即作為左右步進電動機的單次行程的運動軌跡函數，將其分別輸入至左右兩邊的PLC內。另外，還可以結合觸摸屏來進行控制或者顯示產品的不合格率等，讓操作更方便，結果更直觀。

參考文獻：

[1]高洪，趙韓.并聯機器人機構學理論研究綜述[J].安徽工程科技學院學報（自然科學版），2006（01）.

[2]趙鐵石.空間少自由度并聯機器人機構分析與綜合的理論研究[J].燕山大學機械工程學院，2000.

[3]熊有倫.機器人技術基礎[M].華中理工大學出版社，1996.

[4]丁學明.一種空間三自由度平動并聯機床研究[D].南京航空航天大學，2002.