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两自由度并联机械手控制系统设计

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两自由度并联机械手控制系统设计

142 电子技术 0 引言 工业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 两自由度并联机械手控制系统设计 赵洪刚 1,2 ,李红利 1 (1.天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387;2.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司,北京 100085) 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 DOI10.16640/ki.37-1222/t.2019.12.123 图1 控制系统总体方案 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。 图2 机械手最适合的取放 路径图 图3 机械手的理论规划移 动路径 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。 图4 人机界面 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,2018,260677-80. [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,201811129. 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。

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