基于LabVIEW平台电动夹爪在设备中的应用

张雨龙 ， 兰 锋 ， 羌小龙

（上海齐耀重工有限公司，上海 220408）

1 概述

从现阶段的市场结构来看，气动夹爪占据绝大部分市场份额，中国市场标准化气动夹爪占比超过90%，电动夹爪占比仅为3%左右；海外市场标准化气动夹爪占比超过70%，电动夹爪占比接近18%。一方面，以协作机器人为代表的增量市场持续放量，将对电动夹爪形成较强的需求拉力；另一方面，以工业自动化为代表的存量市场，逐渐衍生出电动夹爪替代气动夹爪的新机会。

电动夹爪能够针对多样化、柔性生产场景[1]，具备抓取检测和掉落检测功能，产品集成度高。控制系统集成在手爪内部，无需更换夹具，能够节约成本、提高使用效率[2]。因此，电动夹爪能以自身优越的性能更加广泛地代替气动夹爪，其控制也变得越来越简单方便，能更好地融入自动化系统中。

2 电动夹爪应用及系统结构

本研究主要介绍了电动夹爪在智能制造设备中的应用及其控制方式。常见的夹爪控制方式有IO控制、脉冲控制、通信控制，本文所研究的电动夹爪采用的是RS485通信控制。

2.1 在设备中的运用

常用的工作方式有内撑模式和外夹模式。

1）内撑模式。此模式适用于抓取夹具行程范围内（夹取范围大小不局限于行程，可根据产品设计）的物体（物体形状不受限制，可根据产品设计），内撑模式示意图如图1所示。

图1 内撑模式示意图

2）外夹模式。此模式适用于抓取外形不规则或者外表面不可挤压的物体，外夹模式示意图如图2所示。

图2 外夹模式示意图

在实际运用中，要根据具体情况来决定采用内撑模式还是外夹模式。电动夹爪是否闭合以产生包围感或指尖握力，这将取决于操作模式、零件的几何形状与重心、物体的相对位置。使用不同的“操作模式”抓取相同的零件，可能会因为零件的位置和几何形状的不同而导致抓取力不同。

2.2 系统结构

由图3可知，该系统由6轴机器人、快换辅助连接装置、电动夹爪本体及产品等组成。6轴机器人是搬运部件，作用是实现搬运动作。其作为设备动作的主体，能大幅度提高搬运效率和质量[3]；辅助连接装置是一个快换结构，作用是把夹爪本体和6轴机器人连接起来，通过机器人移动带着夹爪到不同工作位置；电动夹爪是机器人的末端执行部件，电动夹爪是双作用的，可以实现产品的夹取和旋转。

图3 系统机构图

3 系统工艺介绍及设计

3.1 系统工艺

图4为取放位置俯视图。由图4可知，A是6轴机器人位置，B是取料位置，C是放料位置。夹爪部件通过辅助连接装置固定在6轴机器人头部。当系统给取料位B命令，机器人移动至取料位B，给电动夹爪发送取料命令，电动夹爪自动闭合，夹爪闭合完成后，将信号反馈给系统。系统给放料位C命令，机器人移动至放料位C，在放料位系统给夹爪旋转90°的指令，旋转完成，给电动夹爪松开命令。至此，一个流程结束。机器人再次去取料位B，往复循环96次。

图4 取放位置俯视图

3.2 系统设计

根据上述系统机构的工作原理，本研究使用工业电脑（PC机）作为控制系统，和6轴机器人采用TCP/IP[4]协议进行通信，发送指令来完成机器人的点位移动。控制系统和电动夹爪采用RS485进行通信，为了网络接口统一，采用485转TCP/IP转换卡来完成夹爪的夹紧、松开、旋转、初始化等动作，所以控制系统通过TCP/IP协议向电动夹爪发送命令[5]。

对通信的数据进行定义，如表1所示。

表1 通信数据定义

经查阅，项目中电动夹爪的485通信文件，旋转电伺服电动夹爪使用标准Modbus-RTU协议，其报文格式如表2所示。

表2 通信报文格式

设备地址：电动夹爪在Modbus-RTU通信网络中的从站地址，其范围为1～247，此参数可修改[6]。

功能代码：旋转电伺服电动夹爪支持0x03、0x10等功能码。

数据格式：包括读写数据的寄存器地址、数据长度、数据等。

CRC校验码：数据帧CRC校验码。

本项目使用含参数控制模式，则初始化、夹紧、松开、旋转等动作的通信报文如下：

1）激活请求，并初始化

→清除并设置rACT=0，请求：09 10 03 E8 00 01 02 00 00 E5 B8

←收到夹爪回复：09 10 03 E8 00 01 80 F1

→然后设置rACT=1，请求：09 10 03 E8 00 01 02 00 01 24 78

←收到夹爪回复：09 10 03 E8 00 01 80 F1

→读取夹爪状态：请求：09 04 07 D0 00 01 30 0F

←收到夹爪回复（已完成）：09 04 02 00 31 99 25

2）电动夹爪夹紧，即移动电动夹爪到目标位置（以夹爪全力闭合为例）

→请求：09 10 03 E8 00 03 06 00 09 FF 00 FF FF 9E 95

←收到夹爪回复：09 10 03 E8 00 03 01 30

3）电动夹爪松开，即移动电动夹爪到放置位置（以夹爪全力张开为例）

→请求：09 10 03 E8 00 03 06 00 09 00 00 FF FF AE 81

←收到夹爪回复：09 10 03 E8 00 03 01 30

4）电动夹爪旋转（以夹爪全力旋转360°为例）

→请求：09 10 03 EC 00 04 08 01 68 FF FF 01 68 01 01 41 30

←收到夹爪回复：09 10 03 EC 00 04 01 33

4 程序开发

由于TCP/IP协议具有经济性和灵活性[7]，故设备采用了RS485转TCP/IP转换器，结合机器人和电动夹爪的工作原理，交互数据定义及电动夹爪的通信格式，使用LabVIEW软件开发电动夹爪的通信程序。

首先设置电动夹爪的LabVIEW和电动夹爪建立通信通道，需要设置好485转TCP/IP转换模块[8]的IP地址及端口号。然后采用队列方式驱动程序执行，添加“夹爪激活”“夹爪初始化”“目标位置”“旋转激活”“旋转初始化”“旋转角度”等命令，目标位置和旋转角度根据实际需要设定即可。具体程序框图如图5所示。

图5 系统控制夹爪程序框图

根据工作流程，LabVIEW控制机器人和电动夹爪完成设备的动作逻辑，达到设备功能来进行相应部分的程序开发。具体程序如图6所示。

图6 动作逻辑程序框图

5 结语

随着社会工业自动化程度的加深，电动夹爪的应用会越来越广泛。当前，大多数设备都是采用PLC来控制夹爪的动作。但是，有些设备不采用PLC，而是依托于工业电脑来进行系统控制[9]。上位机软件LabVIEW是一款常用的工业软件，其编程简单、上手快、开发效率高，深受自动化控制工程师的喜爱。使用LabVIEW通过RS485协议通信控制电动夹爪[10]，具有接线简单、控制灵活的优点，其可以根据客户需要，采用压力模式柔性化来适应各种尺寸产品，能更好地助力中国自动化行业的发展。