趙洪剛 李紅利

摘 要：機(jī)械手是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的重要工具，機(jī)械手是根據(jù)人類手臂功能而設(shè)計(jì)的，對(duì)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(duì)兩自由度并聯(lián)機(jī)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(jī)作為機(jī)械手驅(qū)動(dòng)單元，通過以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器、上位機(jī)之間的通信連接。應(yīng)用Sysmac Studio軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手路徑規(guī)劃和抓取運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了機(jī)械手監(jiān)控畫面。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)物品的快速自動(dòng)抓取，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；伺服電機(jī)；路徑規(guī)劃

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

0 引言

工業(yè)機(jī)械手有多個(gè)自由度，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展起來的一種代替人類勞動(dòng)力的自動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)上，模仿了人類手臂的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在性能上，具有比人手更優(yōu)越的一些特點(diǎn)[2]。隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展和自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)食品加工、包裝、物流等工作方面節(jié)省勞動(dòng)。兩自由度并聯(lián)機(jī)械手適合在二維平面內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)距步進(jìn)的場(chǎng)合。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)械手由控制系統(tǒng)（PLC）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（平動(dòng)盤）組成，如圖1所示。從主動(dòng)臂的作用是輔助平動(dòng)盤來準(zhǔn)確的抓取物品并能夠移動(dòng)到指定的位置。機(jī)械手有直線和曲線兩種運(yùn)動(dòng)形式。機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)間、物體抓、放的位置等?？刂苿?dòng)作包括點(diǎn)動(dòng)控制和自動(dòng)連續(xù)控制?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)被抓物體的位置和機(jī)械手動(dòng)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(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃

機(jī)械手工作的路徑由一系列坐標(biāo)點(diǎn)組成，通過控制器進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃如圖2所示。圖3是機(jī)械手在實(shí)際運(yùn)行過程中適合精確抓取的運(yùn)動(dòng)路徑，因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中的C點(diǎn)和D點(diǎn)處有直角的過渡，此時(shí)可能會(huì)有機(jī)械手的突然加速和加速度的變化，機(jī)械手會(huì)有巨大的噪音和劇烈的抖動(dòng)，所以在拐角處設(shè)計(jì)為圓弧來對(duì)這種不足加以抑制。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)兩自由度并聯(lián)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡控制的控制將變成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。而機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的控制程序又包括許多控制模塊。如系統(tǒng)初始化、點(diǎn)動(dòng)功能、回零功能、自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、故障診斷等模塊。系統(tǒng)核心功能主要有點(diǎn)動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)運(yùn)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(jī)械手機(jī)械零點(diǎn)的確定由兩個(gè)伺服軸分別確定機(jī)械零點(diǎn)構(gòu)成。點(diǎn)動(dòng)調(diào)整、直線插補(bǔ)運(yùn)行和圓弧插補(bǔ)運(yùn)行分別有專用的運(yùn)動(dòng)控制指令完成，編程時(shí)將ST語言和LD語言相結(jié)合。

2.2 操作界面設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手要完成的動(dòng)作要求和控制系統(tǒng)的要求，利用CX-Designer軟件設(shè)計(jì)HMI，如圖4所示。設(shè)計(jì)的操作界面包括按鈕控制區(qū)、狀態(tài)指示燈區(qū)、機(jī)械手位置顯示區(qū)、循環(huán)周期顯示區(qū)、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡顯示區(qū)、伺服電機(jī)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(tái)，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了人和機(jī)械手的信息交流。實(shí)驗(yàn)表明，操作界面友好，控制系統(tǒng)安全、可靠，運(yùn)行高效。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈博.電動(dòng)吸盤式分揀機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26（06）：77-80.

[2]張志強(qiáng).PLC在工業(yè)機(jī)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(jiǎn)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。