基于PLC的高速并联机械手控制技术

0 引言

　　Clavel 博士于1985年发明的Delta 机构是高速并联机械手当中最具有代表性的。Delta 机械手的3个伺服电机固联在机架上，伺服电机与减速器采用锁紧套的方式连接；主动臂与减速器输出轴同样采用锁紧套的方式连接，这样可以避免采用键连接时的反向误差；机械手的３ 个主从动臂构成了机械闭环结构，可进一步减小机械手的定位误差；从动臂采用碳纤维材料，质量和惯性非常小；加减速能力与串联机械手相比具有不可比拟的优势。基于上述优点Delta 机械手特别适合在三维空间中快速抓取操作且定位精度要求比较高的场合应用。另外在Delta 机构的动、静平台间还可以设置一可伸缩转轴，由于该可伸缩转轴两端带有虎克铰链，故机械手还能够实现被抓物体垂直于静平台的单自由度转动。

　　本文以Delta 高速并联机械手为控制对象，搭建基于PLC 的并联机械手控制系统，研究机械手的轨迹规划、控制数据传输和伺服参数整定等保证机械手性能的关键技术

1 Delta 机械手控制系统硬件平台

　　基于Delta 高速并联机械手的机构特点，以“Mitsubishi Q02H PLC+ QD75MH4定位控制模块＋串行口通讯模块QJ71C24N”为核心搭建机械手控制系统，如图1所示。

图1机械手控制系统硬件组态框图

　　（1） 控制系统CPU ：采用三菱MitsubishiQ02HCPU 单元，主要完成控制器控制系统参数管理，操作空间中末端执行气爪的路径规划，关节空间中伺服电机3轴插补，机械手转矩、位置、速度正解和逆解的矩阵运算，与机械手运动相关的开关量逻辑控制，分选工艺中路径的规划和选择等任务。

　　（2） 运动定位模块：控制系统运动定位模块采用三菱Mitsubishi QD75MH4多轴位置控制模块，通过主基板Q38B 与Mitsubishi Q02H CPU 单元通讯。定位模块负责伺服电机的转矩、位置和速度的控制与监视。

　　（3） 串行口通讯模块：采用Mitsubishi QJ71C24N通讯模块。该模块具有RS232和RS485两个通道，可同时进行PLC CPU 与上位机、PLC CPU 与触摸屏的通讯。

　　（4） 工业触摸屏：选用三菱A960GOT － EBA 彩色工业触摸屏作为图形化人机界面。触摸屏通过RS － 232C串行通讯线与QJ71C24N 通讯模块连接，从而最终与PLC CPU 进行通讯。

　　（5） I／O 模块：用于控制机械手末端气爪的张开闭合及检测气爪的张开到位和闭合到位。

　　（6） 伺服电机和伺服驱动器：采用具有内置绝对编码器和抱闸的三相交流伺服电机，型号为三菱HC－SFS102B 。相应伺服驱动器规格为MR － J2S －100B ，与QD75MH4构成闭环控制。

　　采用“Mitsubishi Q02H PLC+QD75MH4定位控制模块＋ 串行口通讯模块QJ71C24N”构成的控制系统不仅组态简单，而且稳定可靠，适合工业中应用。并且串行口通讯模块QJ71C24N 与上位机进行实时通讯，使得机械手轨迹规划路径选择与伺服电机运动控制并行处理成为可能，满足了机械手实时控制的要求。

2 轨迹规划及软件设计

　　2.1 机械手轨迹规划

　　Delta 机械手主要用于在三维空间内对重量轻、体积小的物品进行高速抓取、放置操作。本文Delta 机械手用于电池质量分选操作，机械手每次抓取一行共16个电池，并将16个电池分为（1～10）类。由于工艺要求及并联机械手的关节空间位置与操作空间位置是非线性的关系，对于每一类电池的操作，机械手末端执行器要依次经过竖直提升（P1～ P5） → 水平移动（P6～P7） → 竖直下降（P4～ P8）3个阶段 ，如图2所示。

图2取放过程机械手运动轨迹

　　基于上述，设定机械手的运动为连续轨迹运动，需要PLC CPU 在关节工作空间内对3个伺服电机做插补计算，以保证P1～ P5、P6～ P7、P4～ P8段达到一定的直线度。在轨迹规划中，首先将手爪运动轨迹看作P1～ P2、P2～ P3、P3～ P3三段直线，为了使机械手在关节空间的振动减小及操作空间的运动更加快速平稳，对于操作空间中每一段直线，手爪的运动过程为静止→ 加速→ 匀速→ 减速→ 静止，从而使动平台的速度v 和加速度a 在操作空间中每一段直线的起点和终点处为零，且位移s 具有关于时间的一阶、二阶导数连续，三阶导数有限的运动规律。本例中采用3－4－5次多项式作为机械手末端执行器的运动规律，其具有运动时间短、过程冲击和残余振动小，比较适合本研究对象。在已知位移s 和最大加速度amax 的条件下，3 －4－5次多项式表达式为：

　　其中：T 为经历该轨迹段所需要的时间；j 为3－4－ 5次多项式运动规律的跃度。

　　图2中，P5～ P6 、P7～ P8段将没有直线度要求的轨迹转折处优化为弧线，从而在竖直段的加速度未减到零之前水平方向已经开始加速，这样进一步减小了机械手的运动周期。PLC CPU 采用等时或者等距的原则，对伺服电机各轴轨迹路径点的速度和位置进行插补计算。