機(jī)械手的控制方式及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建亮 劉瑞芬 李聰

摘 要：隨著機(jī)械控制技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛，對(duì)于推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用。機(jī)械手具有不同的控制方式，本文對(duì)機(jī)械手不同的控制方式進(jìn)行了分析，之后對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及需要注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;控制方式;控制系統(tǒng)

1 引言

機(jī)械手在工業(yè)科技中的應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展進(jìn)步，機(jī)械手的控制技術(shù)也得到了較為快速的發(fā)展。人們?cè)诤茉缫郧熬拖Ｍ軌蚪柚渌墓ぞ咛娲祟愖陨淼氖秩氖轮貜?fù)性的工作，或者具有一定危險(xiǎn)性的工作，從而提高工業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也能規(guī)避人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)際生產(chǎn)中碰到的危險(xiǎn)情況。此外，在一些特殊的場(chǎng)合中，必須要依靠機(jī)械手才能加以完成[1]。未來機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中將發(fā)揮更大的作用，本文主要對(duì)機(jī)械手的控制方式及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。

2 機(jī)械手原理概述

機(jī)械手具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如機(jī)械手比人的手具有更大的力氣，能夠干很多人手所無法干的事情，這樣也能提高工業(yè)生產(chǎn)中的效率，同時(shí)采用機(jī)械手進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的成本相對(duì)而言也會(huì)得到一定程度上的降低。機(jī)械手通常由三部分組成，即機(jī)械部分，傳感部分和控制部分。其中，手部安裝在手臂的前端，用來抓持物件，這是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體，可根據(jù)被抓持物件的形狀、重量、材料以及作業(yè)要求不同而具有多種結(jié)構(gòu)形式。控制部分包括控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)[2]。對(duì)于機(jī)器人基本部件的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制機(jī)械手的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式。

機(jī)械手的控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，如果工業(yè)機(jī)械手沒有信息反饋功能，那么它就是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。如果有信息反饋功能，它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)器人基本組成的人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)是允許操作員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人通信的裝置。總之，人機(jī)交互系統(tǒng)可以分為兩類：指令給定裝置和信息顯示裝置，機(jī)械手的控制主要是通過軟件程序加以實(shí)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手相關(guān)的技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，先進(jìn)的控制方式和先進(jìn)的控制技術(shù)在機(jī)械手的控制領(lǐng)域中也具有一定的采用。現(xiàn)在機(jī)械手不僅廣泛應(yīng)用于采礦、化工、船舶等領(lǐng)域，并且在航天、醫(yī)藥、生化等領(lǐng)域占有重要地位。

3 機(jī)械手的控制方式

工業(yè)機(jī)器人可根據(jù)控制方法分為以下幾類，一類是點(diǎn)控制。點(diǎn)控制，也稱為PTP控制，僅控制起點(diǎn)和終點(diǎn)的姿勢(shì)，兩點(diǎn)之間的軌跡沒有規(guī)定。由點(diǎn)控制模式的工業(yè)機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)是點(diǎn)到點(diǎn)之間的線性運(yùn)動(dòng)，并且僅在操作期間控制幾個(gè)特定工作點(diǎn)的位置，點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)過程不受控制。在具有點(diǎn)控制的工業(yè)機(jī)器人中，可控制的點(diǎn)數(shù)取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜性[3]。該P(yáng)TP點(diǎn)位置控制方法易于實(shí)現(xiàn)，但精度不高，并且通常用于裝載、卸載和處理等，其僅需要精確的目標(biāo)位置和控制方式等。第二種是連續(xù)軌跡控制，連續(xù)軌跡控制也稱為CP控制。以連續(xù)軌跡模式控制的工業(yè)機(jī)械手可以具有任何連續(xù)的空間曲線，工業(yè)機(jī)械手在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制下，并且可以同時(shí)控制兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)軸。手的位置可以沿任何形狀的空間曲線移動(dòng)，并且手的姿勢(shì)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來控制，這對(duì)于焊接和噴涂操作非常有利。具有連續(xù)軌跡控制的工業(yè)機(jī)器人在當(dāng)今的工業(yè)應(yīng)用中更常見，例如，焊接機(jī)械手、噴涂機(jī)械手等。

在實(shí)際生產(chǎn)中，許多系統(tǒng)需要有多種控制方法。系統(tǒng)的常用工作方式可分為手動(dòng)，單步，單循環(huán)（半自動(dòng)）和連續(xù)（自動(dòng)）四種工作模式，后三種工作模式為自動(dòng)工作模式。對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備，上述各種工作方法不能同時(shí)操作，所以需要采取其他的程序設(shè)計(jì)模式進(jìn)行機(jī)械手的控制程序設(shè)計(jì)，只有這樣才能將機(jī)械手的各種控制方式通過程序語句進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也能夠在一定的程度下簡(jiǎn)化程序語句實(shí)現(xiàn)的難度，并降低程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。對(duì)于后續(xù)機(jī)械手控制程序的維護(hù)方面，也可以相對(duì)而言降低程序的維護(hù)量，對(duì)于機(jī)械手的控制程序設(shè)計(jì)應(yīng)加以考慮。

4 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。SIMULINK軟件是在仿真技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常采用的仿真軟件，可用于仿真機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及控制方式。虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)可以采用matlab中的工具箱進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)工具箱中具有虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真功能，能夠通過一定的仿真接口實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真，在這個(gè)仿真過程中具有可視化的功能，并進(jìn)行相關(guān)的控制操作，控制虛擬模型在給定信號(hào)模型下和串口通信模式下實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)動(dòng)。在matlab環(huán)境下以中斷方式進(jìn)行通信，采用事件驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)，回調(diào)函數(shù)中做數(shù)據(jù)提取，以及simulink模型調(diào)用。機(jī)械手操縱器的運(yùn)動(dòng)包括臂的上下，左右，手腕的旋轉(zhuǎn)等在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，此外還可以對(duì)整個(gè)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等不同的操作。機(jī)械手控制系統(tǒng)采用SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，采用這種技術(shù)成熟、仿真效果較好的軟件進(jìn)行編程，在程序語句的實(shí)現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，后續(xù)對(duì)控制程序的語句進(jìn)行必要的修改時(shí)，也相關(guān)比較容易，此外還具有可靠性比較高的優(yōu)點(diǎn)。

首先，對(duì)于機(jī)械手的選擇，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，物體在三維空間中的靜止位置由三個(gè)坐標(biāo)或圍繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角度確定，因此可以在理論上確定物體的位置和取向（即，接頭的角度）。相反若根據(jù)動(dòng)作的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)具有最小自由度的機(jī)器人以滿足工作要求，因此通用機(jī)器人（不包括夾持動(dòng)作）通常僅具有2至3個(gè)自由度。通用操縱器通常需要4到5個(gè)自由度，本設(shè)計(jì)中使用的機(jī)器人具有5個(gè)自由度，這五個(gè)自由度允許機(jī)器人彎曲手臂，上下擺動(dòng)手臂，左右擺動(dòng)手臂，擺動(dòng)手腕，抓住手指。其次，對(duì)于功率單元的選擇，工業(yè)機(jī)器人需要非常高的精度，因此該設(shè)計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)時(shí)，它驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)定方向旋轉(zhuǎn)固定角度，稱為“步進(jìn)角”，其旋轉(zhuǎn)以固定角度逐步運(yùn)行。但是，步進(jìn)電機(jī)需要在驅(qū)動(dòng)器的作用下工作，因此選擇作為驅(qū)動(dòng)器，其中輸出部分連接到步進(jìn)電機(jī)，注意相序。對(duì)于傳感器的使用，接近開關(guān)用作手旋轉(zhuǎn)和底盤旋轉(zhuǎn)眼位置檢測(cè)，并且限位開關(guān)用作水平軸和垂直軸極限檢測(cè)。接近開關(guān)有3條連接線（紅色，藍(lán)色，黑色），紅色連接到電源的正極，黑色連接到電源的負(fù)極，藍(lán)色是輸出信號(hào)。接近停止時(shí)輸出水平低，否則高。

對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)是以空間中兩點(diǎn)之間的對(duì)象處理運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行分析。具體控制流程如下：打開PLC，在初始化完成之后，首先加載與圓柱坐標(biāo)系中的對(duì)象的位置相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，并且水平軸和垂直軸步進(jìn)電機(jī)和基本伺服電機(jī)同時(shí)操作。水平軸向前延伸，垂直軸上升，基座向前旋轉(zhuǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)因脈沖輸出而中斷或停止時(shí)，伺服電機(jī)就位后，腕電機(jī)通電，驅(qū)動(dòng)手腕向相反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位頭時(shí)，電機(jī)停止，PLC控制電磁閥，夾具夾緊。延遲一段時(shí)間后，在目標(biāo)位置的圓柱坐標(biāo)系中加載相應(yīng)數(shù)量的脈沖，橫軸和縱軸步進(jìn)電機(jī)和基礎(chǔ)伺服電機(jī)同時(shí)工作，返回到物體的位置;腕部電動(dòng)機(jī)通電以驅(qū)動(dòng)腕部向前旋轉(zhuǎn)，電磁閥復(fù)位，爪子釋放延遲一段時(shí)間。最后，判斷主程序開關(guān)狀態(tài)，如果仍然打開，則開始下一個(gè)傳送操作循環(huán)。

在機(jī)器人控制系統(tǒng)外部接線圖的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量選擇合理的機(jī)器人模型。為了確保在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時(shí)）可以可靠地切斷PLC的負(fù)載功率，交流接觸器KM設(shè)置在PLC的外部電路中。在PLC運(yùn)行時(shí)按下“加載電源”按鈕以激勵(lì)KM線圈，并通過在啟動(dòng)按鈕SB2上并聯(lián)連接的自保持觸點(diǎn)自鎖。同時(shí)，連接到AC電源的KM的兩對(duì)主觸頭接通以向外部負(fù)載供電，使PLC所有的輸出負(fù)載都斷電。

整個(gè)控制程序分為四個(gè)部分：實(shí)用程序，自動(dòng)程序，手動(dòng)程序和歸位程序。其中，實(shí)用程序無條件執(zhí)行，并在各種工作模式下運(yùn)行。選擇手動(dòng)模式時(shí)調(diào)用手動(dòng)模式;選擇歸位模式時(shí)，將調(diào)用歸位程序;當(dāng)選擇連續(xù)，單循環(huán)和單步三種工作模式中的一種時(shí)，調(diào)用自動(dòng)程序。單步，單循環(huán)和連續(xù)操作模式包含在自動(dòng)程序中，因?yàn)樗鼈兊牟僮髟谕贿^程中執(zhí)行。因此將它們組合在一起進(jìn)行編程更加合理和簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)各部分的程序后，根據(jù)控制系統(tǒng)梯形圖的整體結(jié)構(gòu)，最終集成了應(yīng)用程序，手動(dòng)程序，自動(dòng)程序和歸位程序，可以使用完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)梯形圖程序。調(diào)試程序時(shí)，建議分別調(diào)試程序的各個(gè)部分，然后調(diào)整整個(gè)程序。

5 結(jié)語

機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中占有重要的地位，性能優(yōu)越的機(jī)械手控制系統(tǒng)將可提高機(jī)械手的作業(yè)效率，為此本文主要對(duì)機(jī)械手的控制方式及控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。在對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了上述需要考慮的方面之外，還需要考慮到操作面板的布置、根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行系統(tǒng)的I/O地址分配等。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖艷軍，馬學(xué)為，霍江濤，等.旋轉(zhuǎn)沖壓機(jī)械手及其自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（11）：190-192.

[2]舒志兵，謝福亮，鄭之開.專用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓，2013（22）：113-115.

[3]蔡愛民.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國設(shè)備工程，2017（24）：127-128.

[4]王月芹.基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（3）：149-151.