基于PLC的2-DOF并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

張 帥，楊惠忠，卿兆波

（中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，杭州 310018）

基于PLC的2-DOF并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

張 帥，楊惠忠，卿兆波

（中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，杭州 310018）

介紹了2-DOF并聯(lián)機械手的主要結(jié)構(gòu)以及功能，通過對該裝置結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，構(gòu)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(tǒng)，開發(fā)了控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。通過MPE720.V7編程軟件完成了運動程序的編寫、伺服驅(qū)動器的配置、仿真以及監(jiān)控等功能。經(jīng)過對該系統(tǒng)的調(diào)試運行，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和穩(wěn)定性，并且能夠高效的控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。

并聯(lián)機械手；觸摸屏；PLC；伺服系統(tǒng)

0　引言

隨著中國科技的飛速發(fā)展以及現(xiàn)代制造業(yè)、工業(yè)自動化諸多行業(yè)的需求，機械手在醫(yī)藥、電子產(chǎn)品和食品等輕工業(yè)領(lǐng)域的搬運、分揀、上下料等作業(yè)得到廣泛的應(yīng)用［1，2］。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機械手相比，并聯(lián)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(xué)特性好等特點，故在研究和應(yīng)用中作為主要對象。

機械手的控制系統(tǒng)有很多的設(shè)計方案。例如采用單片機+上位機的控制結(jié)構(gòu)，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(qū)動器SGD7S-5R5A10A002、遠程I/ O模塊為硬件，通過Mechatrolink-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效的運動控制系統(tǒng)。

1　2-DOF并聯(lián)機械手簡介

如圖1所示為2-DOF并聯(lián)機械手結(jié)構(gòu)。該裝置主要有靜平臺、動平臺、主動臂、從動臂構(gòu)成。通過安裝在靜平臺上的伺服電機驅(qū)動主動臂，帶著從動臂動作，最終實現(xiàn)動平臺的移動。

圖1　并聯(lián)機器人

2　控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

運動控制器作為控制系統(tǒng)的核心，在選型時根據(jù)具體的控制要求選擇一款性價比高的控制器。在本系統(tǒng)中，MP2300S基本模塊是將電源/CPU、內(nèi)置SVB、I/O一體化的多合一構(gòu)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(zhuǎn)矩控制、速度控制以及位置控制外，也實現(xiàn)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(fù)雜的機械動作；能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)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(nèi)便能夠完成從發(fā)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(chǎn)距。

伺服電機的選型，根據(jù)負載的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(tǒng)中選擇Yaskawa的中慣量、高速的旋轉(zhuǎn)型電機SGM7J-08A7C6E和配套的單軸伺服驅(qū)動器單元SGD7S-5R5A10A002。該伺服驅(qū)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(nèi)最大限度的發(fā)揮極其性能，有利于實現(xiàn)機械手的高速運動。

開關(guān)電源的選擇，MP2300S運動控制器是24V直流電源供電，開關(guān)電源的輸出電壓根據(jù)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(guī)格為24DVC/100W的明緯NES-100-24V開關(guān)電源。

人機界面的選擇，為了在工作過程中實時監(jiān)測機械手的工作狀態(tài)、報警狀態(tài)以及設(shè)置參數(shù)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(wǎng)與運動控制器組網(wǎng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳送傳送，縮短了傳送周期。系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，供電電路如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3　供電電路

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件作為控制的核心，程序結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫊苯佑绊懙秸麄€機構(gòu)的穩(wěn)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(tǒng)的設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)、功能的不同將分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、控制輸出、控制輸入、HMI通信、復(fù)位、故障報警7大模塊，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　軟件結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shè)置、通訊參數(shù)的配置、虛擬軸的建立如圖6所示。

圖6　伺服運動軸設(shè)置

2.2.1運動學(xué)求解

機械手能夠準(zhǔn)確地作業(yè)，分析結(jié)構(gòu)的運動學(xué)模型尤為重要。圖7為2-DOF并聯(lián)機械手機構(gòu)坐標(biāo)模型，機械手的運動學(xué)求解通過Pro/E三維實體建模、AutoCAD二位建模、MATLAB數(shù)學(xué)建模進行分析。

圖7　機構(gòu)坐標(biāo)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(guī)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(jié)構(gòu)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(tǒng)中采用五次多項式進行運動軌跡規(guī)劃［5］。

起始時刻（t0），結(jié)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(diào)試模式

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

2.2.4自動運行模式

當(dāng)啟動機械手并且進入自動運行模式后，在執(zhí)行過程中，路徑生成器利用軌跡規(guī)劃的計算結(jié)果更新數(shù)據(jù)，使機械手根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌跡，追蹤路徑。當(dāng)一個周期結(jié)束后，機械手自動回到原點狀態(tài)，等待下一個指令；并且可以設(shè)置運行周期，使機械手循環(huán)操作。

2.2.5復(fù)位模式

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

其中J：

圖8　HMI組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3人機界面設(shè)計

觸摸屏用來機械手的監(jiān)視控制?？刂葡到y(tǒng)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(tài)軟件上對界面進行設(shè)計，界面上設(shè)計了用戶登錄、手動控制、自動控制、故障報警和系統(tǒng)參數(shù)5個主要界面，圖8為HMI畫面結(jié)構(gòu)圖，圖9為手動控制界面。

圖9　手動控制界面

3　結(jié)束語

在電子、食品、醫(yī)療等行業(yè)，并聯(lián)機械手作為高速、輕載機器人有著廣泛的應(yīng)用前景。本文中采用了Yaskawa的MP2300S運動控制器實現(xiàn)兩軸聯(lián)動控制作了深入研究，通過Sigma win+對電機軸的跟蹤監(jiān)測達到控制要求，驗證了控制功能。該控制系統(tǒng)的設(shè)計，提高了自動化水平，同時大大提高了生產(chǎn)效率，改善了人工的勞動務(wù)件。

［1］ 梅江平，王攀峰，倪雁冰.二平動自由度高速并聯(lián)機械手位置控制［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，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(lián)機械手控制技術(shù)研究［J］.機器人，2004，26（1）：63-068.

［3］ 唐和業(yè).一種兩自由度并聯(lián)機械手教學(xué)演示平臺數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.天津：2007，1.

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

［5］ 贠超等譯.機器人學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：機械工業(yè)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。