PLC的二自由度并聯(lián)機(jī)械手設(shè)計(jì)

張小杭

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 金華321017)

PLC的二自由度并聯(lián)機(jī)械手設(shè)計(jì)

張小杭

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 金華321017)

二自由度并聯(lián)機(jī)械手采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)保持始終地面平行，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng).針對(duì)二自由度并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制要求，給出了基于PLC的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人機(jī)界面設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié).PLC伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件、軟件設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，通過(guò)樣機(jī)試制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件快速抓放和移動(dòng).

二自由度并聯(lián)機(jī)械手；軌跡規(guī)劃；PLC；伺服控制

同串聯(lián)機(jī)械手相比，并聯(lián)機(jī)械手具有剛度大、承載能力高、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，特別適合工作空間較小 、負(fù)載不大的應(yīng)用場(chǎng)合.最近幾十年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)并聯(lián)機(jī)械手的特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方面進(jìn)行了廣泛、深入的研究，并且對(duì)這方面取得的成果進(jìn)行了詳細(xì)概括和總結(jié)[1-2].

二自由度并聯(lián)機(jī)械手是并聯(lián)機(jī)械手的一個(gè)研究分支，一般研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、奇異性和工作空間，以及并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制.

本文采用一種二平動(dòng)自由度高速、輕型并聯(lián)機(jī)械手—Diamond機(jī)構(gòu)[3]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)二自由度并聯(lián)機(jī)械手，對(duì)其機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究.該二自由度并聯(lián)機(jī)械手采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，限制了其末端產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)保持穩(wěn)定.

為了實(shí)現(xiàn)該二自由度并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件.采用三菱Q系列PLC和QD75定位模塊作為控制單元，采用MR-J3-10A伺服驅(qū)動(dòng)器作為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元.軟件方面設(shè)計(jì)了人機(jī)界面程序、PLC主程序以及伺服電機(jī)的控制算法程序等.

PLC使得并聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制更加科學(xué)化、人性化.可自動(dòng)按程序完成工件的檢測(cè)、抓取、放置，按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行工作，保證了兩個(gè)伺服電機(jī)、主軸、從動(dòng)軸等各執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠.因此，無(wú)論從生產(chǎn)效率方面，還是從工件抓取的誤差等方面，都表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果.

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，Diamond機(jī)構(gòu)由兩條對(duì)稱的全鉸接運(yùn)動(dòng)鏈組成，各支鏈分別由一臺(tái)伺服電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)主動(dòng)臂圍繞主動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)臂帶動(dòng)從動(dòng)臂，進(jìn)而帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)臂和從動(dòng)臂分別構(gòu)成兩個(gè)平行四邊形，進(jìn)而使得動(dòng)平臺(tái)在平面內(nèi)做二維平動(dòng).

整個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)動(dòng)平臺(tái)與機(jī)架連接，當(dāng)機(jī)構(gòu)需要在與運(yùn)動(dòng)平面正交的縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)靜平臺(tái)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[4].

動(dòng)平臺(tái)末端可以根據(jù)生產(chǎn)中的實(shí)際需要來(lái)安裝不同形式的手爪.圖2為依據(jù)負(fù)載要求設(shè)計(jì)完成的機(jī)械手總裝圖.

圖1 二自由度并聯(lián)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖2 二自由度并聯(lián)機(jī)械手總裝圖

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)主要由PLC控制器、定位模塊、伺服放大器、伺服電機(jī)以及觸摸屏人機(jī)界面等幾部分組成，系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖3.

伺服控制系統(tǒng)能夠做到實(shí)時(shí)改變伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及加、減速時(shí)間，使機(jī)械手抓取工件按照指定軌跡運(yùn)動(dòng)到目的地上.

在系統(tǒng)的控制中，加入觸摸屏的使用，讓操作更方便，用設(shè)計(jì)好具有操作功能的觸摸屏界面接入到24V的電源，同時(shí)與PLC通信，起到控制及監(jiān)控的作用.

圖3 PLC控制系統(tǒng)框圖

2.2 PLC控制系統(tǒng)電氣原理

本系統(tǒng)采用三菱Q系列PLC和QD75定位模塊作為控制單元，采用MR-J3-10A伺服驅(qū)動(dòng)器作為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元.連接兩臺(tái)型號(hào)為HF-KP13的伺服電機(jī)，具體電氣線路參看圖4所示.

在定位模塊里有具體的參數(shù)設(shè)置通過(guò)PLC讀取，發(fā)送至伺服放大器MR-J3-10A，最終驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行設(shè)定的動(dòng)作.

相關(guān)參數(shù)設(shè)定一一對(duì)應(yīng)，按照設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的軌跡運(yùn)動(dòng).放大器的通斷，.機(jī)械手的伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1所示.

通過(guò)分析，確定系統(tǒng)的輸入信號(hào)有個(gè)按鈕、2個(gè)傳感器開(kāi)關(guān)；輸出信號(hào)1個(gè)，電磁鐵.具體PLC的I/O分配如表2所示.

表1 伺服電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

運(yùn)行模式控制方式加速時(shí)間編號(hào)定位地址um圓弧地址um指令速度mm/min1：連續(xù)0：結(jié)束01h：ABS直線11/1000-1000001600001/1000-200002800001/1000000110000

圖4 PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖

表2 I/O分配表

輸入部分輸出部分元件地址功能元件地址功能按鈕SB1X30啟動(dòng)按鈕電磁鐵Y40電磁鐵手抓按鈕SB2X32停止按鈕傳感器SQ1U0G816．5軸1近點(diǎn)狗到位傳感器SQ2U0G9165軸2近點(diǎn)狗到位

3 PLC程序編制

依據(jù)移位所走的路徑，PLC計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)，再將坐標(biāo)位置送QD75定位模塊，最后按照定位參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)定位，包括位置控制、速度控制、速度位置的切換控制等其他控制.

在原點(diǎn)回歸方面，手動(dòng)回原點(diǎn)，JOG運(yùn)行自動(dòng)狀態(tài)下，啟動(dòng)后進(jìn)行工件檢測(cè)，若檢測(cè)，兩軸手臂對(duì)工件進(jìn)行抓取和放下.根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能編寫(xiě)程序，圖5為程序的流程圖.

圖5 PLC控制系統(tǒng)程序流程

4 系統(tǒng)參數(shù)整定

伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3.

表3 伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)

基本參數(shù)1根據(jù)可編程控制器就緒信號(hào)啟用單位設(shè)置0：mm0：mm每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)(pulse)25002500每轉(zhuǎn)的移動(dòng)量(um)4667646676單位倍率(倍)1：x11：x1脈沖輸出模式1：CW/CC1：CW/CC旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定0：通過(guò)正轉(zhuǎn)脈沖輸出增加當(dāng)前值0：通過(guò)正轉(zhuǎn)脈沖輸出增加當(dāng)前值啟動(dòng)時(shí)偏置速度(mm·min-1)000000

續(xù)表3 伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)

基本參數(shù)2根據(jù)機(jī)械設(shè)備和相應(yīng)電機(jī)，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行設(shè)置速度限制值(mm·min-1)200000200000加速時(shí)間/ms10001000減速時(shí)間/ms10001000

5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，用觸摸屏代替按鈕來(lái)操作.系統(tǒng)工作時(shí)的觸摸屏界面包括主界面、參數(shù)設(shè)置界面和控制界面以及監(jiān)控界面.如圖6所示為系統(tǒng)主界面.

觸摸屏操作步驟如下：

(1)在系統(tǒng)調(diào)試之前先將觸摸屏程序?qū)胗|摸屏中，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié).

(2)進(jìn)入開(kāi)始畫(huà)面，觸碰畫(huà)面的任意地方進(jìn)入系統(tǒng)主界面

(3)點(diǎn)擊系統(tǒng)主界面里的“外圍啟動(dòng)”，將外圍啟動(dòng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，給驅(qū)動(dòng)器上電.

(4)在系統(tǒng)主界面中，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)按照制定的運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)行.

圖6 機(jī)械手控制人機(jī)界面

6 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件線路接好并在斷電條件下，按照電路圖要求，將PLC和外部設(shè)備通過(guò)航空插座相連，同時(shí)將PLC和編程計(jì)算機(jī)、變頻器相連，并將觸摸屏和編程計(jì)算機(jī)相連.將系統(tǒng)所有設(shè)備接通電源后，PLC在計(jì)算機(jī)的監(jiān)視下運(yùn)行用戶程序.觀察系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求.

(1)觸摸屏上必要的參數(shù)輸入，放大器接通后，按下啟動(dòng)鍵，且檢測(cè)信號(hào)x8閉合時(shí)，將檢測(cè)到工件到起始位.X軸、Y軸進(jìn)行定位，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手左移，到達(dá)左移點(diǎn)時(shí)，傳送帶停止運(yùn)動(dòng).機(jī)械手平臺(tái)上的電磁鐵將工件吸取.第一步定位完成.

(2)當(dāng)檢測(cè)到工件成功吸取后，X、Y軸同時(shí)定位抬高，到待定位點(diǎn).同時(shí)，傳送帶繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，待下一步定位.第二部定位完成.

(3)當(dāng)機(jī)械手到達(dá)待定位點(diǎn)時(shí)，機(jī)械手右移，到達(dá)右移點(diǎn)時(shí)，傳送帶停止運(yùn)動(dòng).機(jī)械手平臺(tái)上的電磁鐵將工件松放.第三部定位完成.

(4)當(dāng)定位結(jié)束后，而后伺服電機(jī)執(zhí)行回原點(diǎn)動(dòng)作，定位啟動(dòng)按鍵斷開(kāi)，按下“回原點(diǎn)”按鍵，近位開(kāi)關(guān)將回到起始位置，結(jié)束本次定位.

7 結(jié)語(yǔ)

并聯(lián)機(jī)械手由于諸多的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)在研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加了控制的難度.因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)二自由度并聯(lián)機(jī)械手的基礎(chǔ)上，使用了虛擬機(jī)械手示教的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)并聯(lián)機(jī)械手的控制.首先對(duì)二自由度并聯(lián)機(jī)械手零件進(jìn)行三維建模并進(jìn)行零件的虛擬裝配，對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢測(cè)之后進(jìn)行模型的優(yōu)化，利用優(yōu)化了的三維模型SolidWorks進(jìn)行零件工程圖的輸出，現(xiàn)實(shí)二自由度并聯(lián)機(jī)械手的搭建.使該并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)其末端執(zhí)行器的平面運(yùn)動(dòng).同時(shí)設(shè)計(jì)了一套符合控制要求的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，二自由度并聯(lián)機(jī)械手的控制.本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)在平面二自由度5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)平行四桿的運(yùn)動(dòng)鏈，設(shè)計(jì)了一種新型的二自由度并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu).

(2)針對(duì)三菱伺服電機(jī)HF-KP13和三菱伺服放大器MR-J3-10A，使用三菱Q系列PLC進(jìn)行編程、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)，從而有效的控制電機(jī)的速度和位置的控制.

(3)實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的同步控制，使兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).通過(guò)對(duì)二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型分析，有效的軌跡規(guī)劃，確定了兩個(gè)電機(jī)的主動(dòng)輸入角度轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度大小.

[1]李艷，王勇，陳正洪，等.并聯(lián)機(jī)械手智能控制研究現(xiàn)狀[J].機(jī)床與液壓，2008(12)：180-183.

[2]楊斌久，蔡光起，羅繼曼，等.少自由度并聯(lián)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)床與液壓，2006(5):202-205.

[3]王冰，韓文仲.平面2自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)械手的性能分析[J].機(jī)床與液壓，2010(10)：85-87.

[4]李占賢，黃田，梅江平.二平動(dòng)自由度高速輕型并聯(lián)機(jī)械手控制技術(shù)研究[J].機(jī)械手，2004(1)：63-68.

(責(zé)任編輯 鄧 穎)

Design of a 2-DOF Parallel Manipulator Based on PLC

Zhang Xiaohang

(School of Information and Engineering, Jinhua Vocational and Technical College, Jinhua, Zhejiang 321017)

The 2-DOF parallel manipulator, now widely used in varied industrial fields, applies the parallelogram structure so that it can always keep the worktop parallel to the ground. Grounded on the structural characteristics and control requirements of a 2-DOF parallel manipulator, this paper presents a design scheme of PLC-based 2-DOF parallel manipulator. The scheme includes the mechanical design, manipulator trajectory planning, PLC servo control system design and human-machine interface design. The paper also gives the hardware design, software design and parameter settings of the PLC-based servo control system. By prototype trial, the robot can fast pick and place work pieces. It follows that it has a good practical application value.Key words：2-DOF parallel robot; trajectory planning; PLC; servo control

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.07.008

TP241

A

1008-293X(2017)07-0047-05

2016-01-22 作者簡(jiǎn)介：張小杭(1971- )，男，浙江金華人，金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)器人等.