兩自由度并聯機械手控制系統設計

趙洪剛 李紅利

摘 要：機械手是現代化工業生產的重要工具，機械手是根據人類手臂功能而設計的，對現代化工業生產的發展有著極其重要的作用。針對兩自由度并聯機械手，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動單元，通過以太網總線實現PLC與伺服驅動器、上位機之間的通信連接。應用Sysmac Studio軟件編程實現機械手路徑規劃和抓取運動控制，設計了機械手監控畫面。實驗表明，機械手可實現物品的快速自動抓取，控制系統穩定。

關鍵詞：機械手；PLC；伺服電機；路徑規劃

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

0 引言

工業機械手有多個自由度，是現代工業發展起來的一種代替人類勞動力的自動化生產設備，通過程序控制來完成各種工作任務[1]。在機械結構上，模仿了人類手臂的一些結構特點，在性能上，具有比人手更優越的一些特點[2]。隨著我國工業生產的飛速發展和自動化程度的迅速提高，實現食品加工、包裝、物流等工作方面節省勞動。兩自由度并聯機械手適合在二維平面內高速運動，長距步進的場合。

1 控制系統硬件設計

1.1 控制系統總體方案設計

機械手由控制系統（PLC）、驅動機構（伺服電機）和執行機構（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。機械手控制系統設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控制?？刂葡到y是根據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。傳統的路徑規劃如圖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，所以在拐角處設計為圓弧來對這種不足加以抑制。

2 控制系統軟件設計

2.1 運動控制程序設計

對兩自由度并聯機械手運動軌跡控制的控制將變成控制系統設計的核心。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。系統核心功能主要有點動調整、自動運行、回零操作以及最大加速度與速度的設定、初始定位等功能。該兩自由度并聯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成。點動調整、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語言相結合。

2.2 操作界面設計

根據機械手要完成的動作要求和控制系統的要求，利用CX-Designer軟件設計HMI，如圖4所示。設計的操作界面包括按鈕控制區、狀態指示燈區、機械手位置顯示區、循環周期顯示區、機械手運動軌跡顯示區、伺服電機控制區、故障處理區。

3 結論

以OMRON NJ系列PLC為核心硬件控制平臺，設計中采用了ST語言和LD語言相結合，使得在編寫程序的過程中調用靈活。規劃了運動學算法模型，選取最優路徑，構建了控制系統合理的軟件構架，開發了人機界面，實現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設計[J].計算機測量與控制，2018，26（06）：77-80.

[2]張志強.PLC在工業機械手控制系統中的應用與技術研究[J].山東工業技術，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：電網規劃、需求側管理、能源咨詢。