機械臂平面運動控制與分析

楊建華

摘 要：介紹了機械臂在平面內(nèi)工作的控制原理與過程，對硬件的選擇進行了介紹與分析，對整個控制系統(tǒng)進行了分析與優(yōu)化設(shè)計，并應(yīng)用了較為先進的模糊智能控制方法解決了不同零件的抓取過程差異。

關(guān)鍵詞：機械臂；平面運動；自動化；控制；PLC

中圖分類號：TP242文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.003

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械臂在產(chǎn)品制造業(yè)的應(yīng)用也越來越廣，機械臂的設(shè)計過程中涉及到機械、控制、制造以及視覺等很多技術(shù)，由于機械臂的控制系統(tǒng)具有高階和低階多種自由度，因此對機械臂進行自動控制是自動化專業(yè)里一個重點和難點問題?，F(xiàn)實生產(chǎn)中，利用小型機械臂對工件或產(chǎn)品進行平面內(nèi)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)、曲線運動以及點坐標移動，是小型機械臂工作的一個重要內(nèi)容，也在國內(nèi)外的工業(yè)生產(chǎn)中得到了比較廣泛的使用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計是機械臂平面運動控制系統(tǒng)的根本，根據(jù)機械臂帶動工件完成指定動作的工作特點，控制系統(tǒng)的設(shè)計主要由驅(qū)動器、步進電機、電磁閥、PLC和觸摸屏等組成。根據(jù)輸入點和輸出點的數(shù)量，并且需要使用PLC來控制步進電機的工作，輸出的信號為脈沖信號，通過對比市場現(xiàn)有技術(shù)模塊，最終決定選擇西門子生產(chǎn)的6ES7216-2AD23-0XB0 CPU 226 DC/DC/DC型 PLC 作為本次機械臂的控制裝置，具有24個輸入和16個晶體管輸出。觸摸屏選用昆侖通態(tài)生產(chǎn)的TPC7062TX作為人機交互的設(shè)備，有2個串行通信口（COM口），這樣也更加容易地和PLC進行連接以及數(shù)據(jù)的傳遞。機械臂完成運動的步進電機以及相應(yīng)的驅(qū)動器都選用森創(chuàng)SD-20806和56BYG250DK，SD-20806是細分型高性能步進驅(qū)動器，比較適合平面運動機械臂所選用的兩相或四相混合式步進電機，56BYG250DK 是兩相混合式步進電機，額定電流2.4 A，靜轉(zhuǎn)矩1.72 Nm，步距角為18°。機械臂的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)動力選用了電機配合蝸輪蝸桿減速器的結(jié)構(gòu)，電機生產(chǎn)商為沈陽電機股份有限公司，產(chǎn)品型號Y290M-411B3，功率為0.55 kW。穩(wěn)壓電源選用 S-120W-DC24 V，為觸摸屏、PLC 和步進驅(qū)動器提供直流24 V。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

在自動控制系統(tǒng)里，PLC軟件是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，PLC的輸入端連接著不同功能的開關(guān)，PLC 輸出端負責(zé)控制對象指示信號燈、中間繼電器以及電磁閥等。機械臂所完成的全部動作都由PLC軟件進行控制和實施，整個運動和工作的過程都可以在觸摸屏上實時顯示。PLC 軟件設(shè)計采用STEP7-Micro/WIN4.0的編程軟件編寫方框圖程序，根據(jù)工作條件和控制要求設(shè)計出機械臂進行平面運動的PLC控制程序圖。工作步驟如下：開始后，旋轉(zhuǎn)電機帶動機械臂到達工件位置，壓緊氣缸將工件壓緊，此時電磁鐵通電、同步帶電機轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)電機將工件移至工作位置，加工機械啟動，完成后電磁鐵斷電，旋轉(zhuǎn)電機將零件移至成品區(qū)，壓緊氣缸松開，控制過程結(jié)束。

在機械臂平面運動控制系統(tǒng)里，機械臂控制器的結(jié)構(gòu)中含概了旋轉(zhuǎn)電機、電磁鐵、同步帶電機、壓緊氣缸等零件。其中，機械臂的主要動力來自于旋轉(zhuǎn)電機，旋轉(zhuǎn)電機帶動機械臂做圓周轉(zhuǎn)動，而機械臂控制器會借助于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動達到控制手臂位置的目的，且能通過控制同步帶電機達到做出指定動作的要求。在機械臂平面運動自動控制的優(yōu)化設(shè)計過程中，首先分析機械臂在工作位置時傳感器在細節(jié)工作時所提供的確切位置信息，機械臂運動和工作的控制模型，依據(jù)機械臂抓取零件的預(yù)定軌跡對機械臂控制的旋轉(zhuǎn)電機和壓緊氣缸變量進行修改。機械臂平面工作系統(tǒng)需要在自動模式配合機械加工完成指定的工件任務(wù)。自動加工系統(tǒng)模塊主要包括了系統(tǒng)的啟動、暫停、急停以及狀態(tài)監(jiān)控等功能。

由于機械臂帶動的零件為軟質(zhì)材料，在簡化的一階控制系統(tǒng)中，氣缸的壓力會隨著不同的工件參數(shù)而實時的變化，且每個零件掉落的位置不同，因此控制所需的數(shù)學(xué)模型是變化的，控制系統(tǒng)不能按照某個零件的路徑數(shù)學(xué)模型進行自動控制，這也需要利用到近期較流行的模糊智能控制的方法，解決微量的數(shù)學(xué)模型變化的問題，使得整個控制系統(tǒng)的可靠性更強。在機械臂平面運動控制的分析過程中，修正了機械臂初始轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)速以及壓緊氣缸的工作時間，應(yīng)用總動量方程式對機械臂進行驗證和優(yōu)化，并選取兩個比較關(guān)鍵的動量維度進行機械臂的動量控制，建立了分解動量控制對于機械臂平面運動的二維觸手端分解動量控制矩陣，基于系統(tǒng)的硬件改善了機械臂平面加工零件的自動控制方案。

3 結(jié)語

機械臂在平面內(nèi)完成指定工作在小型產(chǎn)品的全自動化生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，在對整個工作過程的控制中仍有許多可改進的地方，在組建機械臂控制的初始模型時依據(jù)機械臂在平面內(nèi)工作的抓取規(guī)律對機械臂控制的旋轉(zhuǎn)電機和壓緊氣缸變量進行修改，同時對機械臂控制的數(shù)學(xué)模型進行了優(yōu)化，使得整個工作過程更加合理，但對PLC的應(yīng)用仍有較大的優(yōu)化空間。