两自由度并联机械手控制系统设计

赵洪刚 李红利

摘 要：机械手是现代化工业生产的重要工具，机械手是根据人类手臂功能而设计的，对现代化工业生产的发展有着极其重要的作用。针对两自由度并联机械手，采用欧姆龙NJ-1500系列CPU作为核心控制器，利用伺服电机作为机械手驱动单元，通过以太网总线实现PLC与伺服驱动器、上位机之间的通信连接。应用Sysmac Studio软件编程实现机械手路径规划和抓取运动控制，设计了机械手监控画面。实验表明，机械手可实现物品的快速自动抓取，控制系统稳定。

关键词：机械手；PLC；伺服电机；路径规划

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

0 引言

工業机械手有多个自由度，是现代工业发展起来的一种代替人类劳动力的自动化生产设备，通过程序控制来完成各种工作任务[1]。在机械结构上，模仿了人类手臂的一些结构特点，在性能上，具有比人手更优越的一些特点[2]。随着我国工业生产的飞速发展和自动化程度的迅速提高，实现食品加工、包装、物流等工作方面节省劳动。两自由度并联机械手适合在二维平面内高速运动，长距步进的场合。

1 控制系统硬件设计

1.1 控制系统总体方案设计

机械手由控制系统（PLC）、驱动机构（伺服电机）和执行机构（平动盘）组成，如图1所示。从主动臂的作用是辅助平动盘来准确的抓取物品并能够移动到指定的位置。机械手有直线和曲线两种运动形式。机械手控制系统设计的主要因素包括工作的顺序、被抓取物体的重量、抓取过程中的运动时间、物体抓、放的位置等。控制动作包括点动控制和自动连续控制。控制系统是根据被抓物体的位置和机械手动作的要求来编写程序，然后根据编写好的程序，从而控制机械手的运动轨迹。

1.2 机械手运动路径的规划

机械手工作的路径由一系列坐标点组成，通过控制器进行直线插补和圆弧插补。传统的路径规划如图2所示。图3是机械手在实际运行过程中适合精确抓取的运动路径，因为在运行过程中的C点和D点处有直角的过渡，此时可能会有机械手的突然加速和加速度的变化，机械手会有巨大的噪音和剧烈的抖动，所以在拐角处设计为圆弧来对这种不足加以抑制。

2 控制系统软件设计

2.1 运动控制程序设计

对两自由度并联机械手运动轨迹控制的控制将变成控制系统设计的核心。而机械手运动轨迹的控制程序又包括许多控制模块。如系统初始化、点动功能、回零功能、自动运动控制、故障诊断等模块。系统核心功能主要有点动调整、自动运行、回零操作以及最大加速度与速度的设定、初始定位等功能。该两自由度并联机械手机械零点的确定由两个伺服轴分别确定机械零点构成。点动调整、直线插补运行和圆弧插补运行分别有专用的运动控制指令完成，编程时将ST语言和LD语言相结合。

2.2 操作界面设计

根据机械手要完成的动作要求和控制系统的要求，利用CX-Designer软件设计HMI，如图4所示。设计的操作界面包括按钮控制区、状态指示灯区、机械手位置显示区、循环周期显示区、机械手运动轨迹显示区、伺服电机控制区、故障处理区。

3 结论

以OMRON NJ系列PLC为核心硬件控制平台，设计中采用了ST语言和LD语言相结合，使得在编写程序的过程中调用灵活。规划了运动学算法模型，选取最优路径，构建了控制系统合理的软件构架，开发了人机界面，实现了人和机械手的信息交流。实验表明，操作界面友好，控制系统安全、可靠，运行高效。

参考文献：

[1]沈博.电动吸盘式分拣机械手自动控制系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（06）：77-80.

[2]张志强.PLC在工业机械手控制系统中的应用与技术研究[J].山东工业技术，2018（11）：129.

作者简介：赵洪刚（1977-），男，辽宁凌源人，硕士，高工，研究方向：电网规划、需求侧管理、能源咨询。