基于PLC的2-DOF并联机械手控制系统设计

张 帅，杨惠忠，卿兆波

（中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018）

基于PLC的2-DOF并联机械手控制系统设计

张 帅，杨惠忠，卿兆波

（中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018）

介绍了2-DOF并联机械手的主要结构以及功能，通过对该装置结构与工作原理的分析，构建了以安川运动控制器MP2300S和北尔人机界面为核心的控制系统，开发了控制系统的应用软件。通过MPE720.V7编程软件完成了运动程序的编写、伺服驱动器的配置、仿真以及监控等功能。经过对该系统的调试运行，验证了系统设计的正确性和稳定性，并且能够高效的控制，具有广泛的应用前景。

并联机械手；触摸屏；PLC；伺服系统

0　引言

随着中国科技的飞速发展以及现代制造业、工业自动化诸多行业的需求，机械手在医药、电子产品和食品等轻工业领域的搬运、分拣、上下料等作业得到广泛的应用［1，2］。与传统的串联机械手相比，并联机械手具有精度高无累积误差、刚性好、承载能力强、各向同性好以及动力学特性好等特点，故在研究和应用中作为主要对象。

机械手的控制系统有很多的设计方案。例如采用单片机+上位机的控制结构，上位机+NI运动控制卡等控制体系［3］。在本文中，介绍一种以Yaskawa的MP2300S运动控制器、伺服驱动器SGD7S-5R5A10A002、远程I/ O模块为硬件，通过Mechatrolink-Ⅱ实现快速、稳定、高效的运动控制系统。

1　2-DOF并联机械手简介

如图1所示为2-DOF并联机械手结构。该装置主要有静平台、动平台、主动臂、从动臂构成。通过安装在静平台上的伺服电机驱动主动臂，带着从动臂动作，最终实现动平台的移动。

图1　并联机器人

2　控制系统

2.1系统硬件设计

运动控制器作为控制系统的核心，在选型时根据具体的控制要求选择一款性价比高的控制器。在本系统中，MP2300S基本模块是将电源/CPU、内置SVB、I/O一体化的多合一构造的模块，兼有运动控制功能和顺序控制功能。该控制器支持机械控制所需要的转矩控制、速度控制以及位置控制外，也实现了精度要求极高的同步相位控制的4种模式切换控制，这样可以满足机械手复杂的机械动作；能够实现轨迹运动中所需要的直线插补、圆弧插补、螺旋插补等功能；通过总线MECHATROLINK-Ⅱ与伺服驱动器进行完全同步控制；程序的顺控与运动控制在1个扫描周期内便能够完成从发送气动信号到启动运动控制的操作，最大限度的利用其高速性，缩短了产距。

伺服电机的选型，根据负载的转矩、转动惯量、机械运动的分辨率、编码器、是否制动等选择合适的伺服电机。机械手具有高速、低负载等运动特点，因此本系统中选择Yaskawa的中惯量、高速的旋转型电机SGM7J-08A7C6E和配套的单轴伺服驱动器单元SGD7S-5R5A10A002。该伺服驱动器具有高速、高频度、高定位精度的特点，能够在最短时间内最大限度的发挥极其性能，有利于实现机械手的高速运动。

开关电源的选择，MP2300S运动控制器是24V直流电源供电，开关电源的输出电压根据控制器的输入电压选择，输出电流是控制额定电压的1.6倍，因此采用规格为24DVC/100W的明纬NES-100-24V开关电源。

人机界面的选择，为了在工作过程中实时监测机械手的工作状态、报警状态以及设置参数选用一款与MP2300S控制器兼容的北尔7寸显示屏IX T7F-2。该人机界面通过以太网与运动控制器组网实现了数据的传送传送，缩短了传送周期。系统的控制网络结构图如图2所示，供电电路如图3所示。

图2　系统控制网络结构

图3　供电电路

2.2系统软件设计

系统软件作为控制的核心，程序结构的合理设计以及严谨的逻辑会直接影响到整个机构的稳定、控制的精度、以及人为操作的便利。控制软件的主程序流程图如图4所示。

图4　主程序流程图

软件系统的设计根据结构、功能的不同将分为参数设置、数据处理、控制输出、控制输入、HMI通信、复位、故障报警7大模块，软件结构图如图5所示。

图5　软件结构图

该运动控制软件在扫描周期上分为高速扫描（High-Speed）和低速扫描模块（Low-Speed），高速扫描周期通常为0.02s，低速扫描周期为高速扫描周期的2倍以上。在本运动控制系统中，两个单独的电机轴作为基本控制对象。在MPE720 Ver7.0工程中完成伺服控制轴的设置、通讯参数的配置、虚拟轴的建立如图6所示。

图6　伺服运动轴设置

2.2.1运动学求解

机械手能够准确地作业，分析结构的运动学模型尤为重要。图7为2-DOF并联机械手机构坐标模型，机械手的运动学求解通过Pro/E三维实体建模、AutoCAD二位建模、MATLAB数学建模进行分析。

图7　机构坐标系

位置逆解［4］：

将上式求解为：

消去φi得：

公式进一步整理得：

其中：

位置正解：

其中：

速度求解：

加速度求解：

其中：

2.2.2轨迹规划算法模型

为了减少机械手运动过程中的机械抖动，避免对机械结构的冲击使运动更加平缓，需要对机械手末端运动的起始、终止点进行加速度的约束，故在本系统中采用五次多项式进行运动轨迹规划［5］。

起始时刻（t0），结束时刻（tf）代入式（10）得到6个约束方程：

对式（11）求解得：

2.2.3手动调试模式

在手动模式下，电机轴单独控制，本系统采用定位模式控制与转矩控制模式相互切换控制。在该模式下，便于机械手的调试与维修。为了在生产中安全可靠地运行，机械手需要进行复位操作；如果没有进行复位操作直接切换到自动模式，机械手会根据编码器的反馈进行检测是否在初始状态，如果在初始状态，机械手即刻进入自动运行模式，否则自动复归到原点后切换到自动运行模式。

2.2.4自动运行模式

当启动机械手并且进入自动运行模式后，在执行过程中，路径生成器利用轨迹规划的计算结果更新数据，使机械手根据预先设定的轨迹，追踪路径。当一个周期结束后，机械手自动回到原点状态，等待下一个指令；并且可以设置运行周期，使机械手循环操作。

2.2.5复位模式

按下复位按钮后，动平台复归到机械的原点状态，伺服电机轴处于等待状态。复位操作，可以清除运行过程中产生的警告信息、报警信息。当机械手在复归运行过程中，其他模式处于锁定状态，并且状态指示灯处于黄灯频闪状态，当运行结束后，状态指示灯处于常亮模式。

其中J：

图8　HMI组态结构图

2.3人机界面设计

触摸屏用来机械手的监视控制。控制系统的人机界面采用北尔电子的7寸IX T7F-2显示屏，在IX Developer2.10的组态软件上对界面进行设计，界面上设计了用户登录、手动控制、自动控制、故障报警和系统参数5个主要界面，图8为HMI画面结构图，图9为手动控制界面。

图9　手动控制界面

3　结束语

在电子、食品、医疗等行业，并联机械手作为高速、轻载机器人有着广泛的应用前景。本文中采用了Yaskawa的MP2300S运动控制器实现两轴联动控制作了深入研究，通过Sigma win+对电机轴的跟踪监测达到控制要求，验证了控制功能。该控制系统的设计，提高了自动化水平，同时大大提高了生产效率，改善了人工的劳动务件。

［1］ 梅江平，王攀峰，倪雁冰.二平动自由度高速并联机械手位置控制［J］.组合机床与自动化加工技术，2004，（4）：7-8，10.

［2］ 李占贤，黄田，梅江平.二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究［J］.机器人，2004，26（1）：63-068.

［3］ 唐和业.一种两自由度并联机械手教学演示平台数控系统的研究与开发［D］.天津：2007，1.

［4］ 李艳.二自由度冗余驱动并联机器人的动力学建模及控制研究［D］.济南：山东大学，2010.

［5］ 贠超等译.机器人学导论［M］.北京：机械工业出版社，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

张帅（1991 -），男，山西汾阳人，硕士研究生，研究方向为装备制造与控制工程。