基于PLC的2-DOF并聯機械手控制系統設計

張 帥，楊惠忠，卿兆波

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

基于PLC的2-DOF并聯機械手控制系統設計

張 帥，楊惠忠，卿兆波

（中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018）

介紹了2-DOF并聯機械手的主要結構以及功能，通過對該裝置結構與工作原理的分析，構建了以安川運動控制器MP2300S和北爾人機界面為核心的控制系統，開發了控制系統的應用軟件。通過MPE720.V7編程軟件完成了運動程序的編寫、伺服驅動器的配置、仿真以及監控等功能。經過對該系統的調試運行，驗證了系統設計的正確性和穩定性，并且能夠高效的控制，具有廣泛的應用前景。

并聯機械手；觸摸屏；PLC；伺服系統

0　引言

隨著中國科技的飛速發展以及現代制造業、工業自動化諸多行業的需求，機械手在醫藥、電子產品和食品等輕工業領域的搬運、分揀、上下料等作業得到廣泛的應用［1，2］。與傳統的串聯機械手相比，并聯機械手具有精度高無累積誤差、剛性好、承載能力強、各向同性好以及動力學特性好等特點，故在研究和應用中作為主要對象。

機械手的控制系統有很多的設計方案。例如采用單片機+上位機的控制結構，上位機+NI運動控制卡等控制體系［3］。在本文中，介紹一種以Yaskawa的MP2300S運動控制器、伺服驅動器SGD7S-5R5A10A002、遠程I/ O模塊為硬件，通過Mechatrolink-Ⅱ實現快速、穩定、高效的運動控制系統。

1　2-DOF并聯機械手簡介

如圖1所示為2-DOF并聯機械手結構。該裝置主要有靜平臺、動平臺、主動臂、從動臂構成。通過安裝在靜平臺上的伺服電機驅動主動臂，帶著從動臂動作，最終實現動平臺的移動。

圖1　并聯機器人

2　控制系統

2.1系統硬件設計

運動控制器作為控制系統的核心，在選型時根據具體的控制要求選擇一款性價比高的控制器。在本系統中，MP2300S基本模塊是將電源/CPU、內置SVB、I/O一體化的多合一構造的模塊，兼有運動控制功能和順序控制功能。該控制器支持機械控制所需要的轉矩控制、速度控制以及位置控制外，也實現了精度要求極高的同步相位控制的4種模式切換控制，這樣可以滿足機械手復雜的機械動作；能夠實現軌跡運動中所需要的直線插補、圓弧插補、螺旋插補等功能；通過總線MECHATROLINK-Ⅱ與伺服驅動器進行完全同步控制；程序的順控與運動控制在1個掃描周期內便能夠完成從發送氣動信號到啟動運動控制的操作，最大限度的利用其高速性，縮短了產距。

伺服電機的選型，根據負載的轉矩、轉動慣量、機械運動的分辨率、編碼器、是否制動等選擇合適的伺服電機。機械手具有高速、低負載等運動特點，因此本系統中選擇Yaskawa的中慣量、高速的旋轉型電機SGM7J-08A7C6E和配套的單軸伺服驅動器單元SGD7S-5R5A10A002。該伺服驅動器具有高速、高頻度、高定位精度的特點，能夠在最短時間內最大限度的發揮極其性能，有利于實現機械手的高速運動。

開關電源的選擇，MP2300S運動控制器是24V直流電源供電，開關電源的輸出電壓根據控制器的輸入電壓選擇，輸出電流是控制額定電壓的1.6倍，因此采用規格為24DVC/100W的明緯NES-100-24V開關電源。

人機界面的選擇，為了在工作過程中實時監測機械手的工作狀態、報警狀態以及設置參數選用一款與MP2300S控制器兼容的北爾7寸顯示屏IX T7F-2。該人機界面通過以太網與運動控制器組網實現了數據的傳送傳送，縮短了傳送周期。系統的控制網絡結構圖如圖2所示，供電電路如圖3所示。

圖2　系統控制網絡結構

圖3　供電電路

2.2系統軟件設計

系統軟件作為控制的核心，程序結構的合理設計以及嚴謹的邏輯會直接影響到整個機構的穩定、控制的精度、以及人為操作的便利。控制軟件的主程序流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

軟件系統的設計根據結構、功能的不同將分為參數設置、數據處理、控制輸出、控制輸入、HMI通信、復位、故障報警7大模塊，軟件結構圖如圖5所示。

圖5　軟件結構圖

該運動控制軟件在掃描周期上分為高速掃描（High-Speed）和低速掃描模塊（Low-Speed），高速掃描周期通常為0.02s，低速掃描周期為高速掃描周期的2倍以上。在本運動控制系統中，兩個單獨的電機軸作為基本控制對象。在MPE720 Ver7.0工程中完成伺服控制軸的設置、通訊參數的配置、虛擬軸的建立如圖6所示。

圖6　伺服運動軸設置

2.2.1運動學求解

機械手能夠準確地作業，分析結構的運動學模型尤為重要。圖7為2-DOF并聯機械手機構坐標模型，機械手的運動學求解通過Pro/E三維實體建模、AutoCAD二位建模、MATLAB數學建模進行分析。

圖7　機構坐標系

位置逆解［4］：

將上式求解為：

消去φi得：

公式進一步整理得：

其中：

位置正解：

其中：

速度求解：

加速度求解：

其中：

2.2.2軌跡規劃算法模型

為了減少機械手運動過程中的機械抖動，避免對機械結構的沖擊使運動更加平緩，需要對機械手末端運動的起始、終止點進行加速度的約束，故在本系統中采用五次多項式進行運動軌跡規劃［5］。

起始時刻（t0），結束時刻（tf）代入式（10）得到6個約束方程：

對式（11）求解得：

2.2.3手動調試模式

在手動模式下，電機軸單獨控制，本系統采用定位模式控制與轉矩控制模式相互切換控制。在該模式下，便于機械手的調試與維修。為了在生產中安全可靠地運行，機械手需要進行復位操作；如果沒有進行復位操作直接切換到自動模式，機械手會根據編碼器的反饋進行檢測是否在初始狀態，如果在初始狀態，機械手即刻進入自動運行模式，否則自動復歸到原點后切換到自動運行模式。

2.2.4自動運行模式

當啟動機械手并且進入自動運行模式后，在執行過程中，路徑生成器利用軌跡規劃的計算結果更新數據，使機械手根據預先設定的軌跡，追蹤路徑。當一個周期結束后，機械手自動回到原點狀態，等待下一個指令；并且可以設置運行周期，使機械手循環操作。

2.2.5復位模式

按下復位按鈕后，動平臺復歸到機械的原點狀態，伺服電機軸處于等待狀態。復位操作，可以清除運行過程中產生的警告信息、報警信息。當機械手在復歸運行過程中，其他模式處于鎖定狀態，并且狀態指示燈處于黃燈頻閃狀態，當運行結束后，狀態指示燈處于常亮模式。

其中J：

圖8　HMI組態結構圖

2.3人機界面設計

觸摸屏用來機械手的監視控制。控制系統的人機界面采用北爾電子的7寸IX T7F-2顯示屏，在IX Developer2.10的組態軟件上對界面進行設計，界面上設計了用戶登錄、手動控制、自動控制、故障報警和系統參數5個主要界面，圖8為HMI畫面結構圖，圖9為手動控制界面。

圖9　手動控制界面

3　結束語

在電子、食品、醫療等行業，并聯機械手作為高速、輕載機器人有著廣泛的應用前景。本文中采用了Yaskawa的MP2300S運動控制器實現兩軸聯動控制作了深入研究，通過Sigma win+對電機軸的跟蹤監測達到控制要求，驗證了控制功能。該控制系統的設計，提高了自動化水平，同時大大提高了生產效率，改善了人工的勞動務件。

［1］ 梅江平，王攀峰，倪雁冰.二平動自由度高速并聯機械手位置控制［J］.組合機床與自動化加工技術，2004，（4）：7-8，10.

［2］ 李占賢，黃田，梅江平.二平動自由度高速輕型并聯機械手控制技術研究［J］.機器人，2004，26（1）：63-068.

［3］ 唐和業.一種兩自由度并聯機械手教學演示平臺數控系統的研究與開發［D］.天津：2007，1.

［4］ 李艷.二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模及控制研究［D］.濟南：山東大學，2010.

［5］ 贠超等譯.機器人學導論［M］.北京：機械工業出版社，2015，163-173.

Design of 2 - DOF parallel manipulator control system based on PLC

ZHANG Shuai， YANG Hui-zhong， QING Zhao-bo

TP273

A

1009-0134（2016）10-0100-05

2016-06-21

張帥（1991 -），男，山西汾陽人，碩士研究生，研究方向為裝備制造與控制工程。