楊建華

摘 要：介紹了機(jī)械臂在平面內(nèi)工作的控制原理與過程，對硬件的選擇進(jìn)行了介紹與分析，對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用了較為先進(jìn)的模糊智能控制方法解決了不同零件的抓取過程差異。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；平面運(yùn)動(dòng)；自動(dòng)化；控制；PLC

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.003

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂在產(chǎn)品制造業(yè)的應(yīng)用也越來越廣，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中涉及到機(jī)械、控制、制造以及視覺等很多技術(shù)，由于機(jī)械臂的控制系統(tǒng)具有高階和低階多種自由度，因此對機(jī)械臂進(jìn)行自動(dòng)控制是自動(dòng)化專業(yè)里一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，利用小型機(jī)械臂對工件或產(chǎn)品進(jìn)行平面內(nèi)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)、曲線運(yùn)動(dòng)以及點(diǎn)坐標(biāo)移動(dòng)，是小型機(jī)械臂工作的一個(gè)重要內(nèi)容，也在國內(nèi)外的工業(yè)生產(chǎn)中得到了比較廣泛的使用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是機(jī)械臂平面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的根本，根據(jù)機(jī)械臂帶動(dòng)工件完成指定動(dòng)作的工作特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、PLC和觸摸屏等組成。根據(jù)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的數(shù)量，并且需要使用PLC來控制步進(jìn)電機(jī)的工作，輸出的信號為脈沖信號，通過對比市場現(xiàn)有技術(shù)模塊，最終決定選擇西門子生產(chǎn)的6ES7216-2AD23-0XB0 CPU 226 DC/DC/DC型 PLC 作為本次機(jī)械臂的控制裝置，具有24個(gè)輸入和16個(gè)晶體管輸出。觸摸屏選用昆侖通態(tài)生產(chǎn)的TPC7062TX作為人機(jī)交互的設(shè)備，有2個(gè)串行通信口（COM口），這樣也更加容易地和PLC進(jìn)行連接以及數(shù)據(jù)的傳遞。機(jī)械臂完成運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器都選用森創(chuàng)SD-20806和56BYG250DK，SD-20806是細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，比較適合平面運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂所選用的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)，56BYG250DK 是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，額定電流2.4 A，靜轉(zhuǎn)矩1.72 Nm，步距角為18°。機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力選用了電機(jī)配合蝸輪蝸桿減速器的結(jié)構(gòu)，電機(jī)生產(chǎn)商為沈陽電機(jī)股份有限公司，產(chǎn)品型號Y290M-411B3，功率為0.55 kW。穩(wěn)壓電源選用 S-120W-DC24 V，為觸摸屏、PLC 和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器提供直流24 V。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)里，PLC軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，PLC的輸入端連接著不同功能的開關(guān)，PLC 輸出端負(fù)責(zé)控制對象指示信號燈、中間繼電器以及電磁閥等。機(jī)械臂所完成的全部動(dòng)作都由PLC軟件進(jìn)行控制和實(shí)施，整個(gè)運(yùn)動(dòng)和工作的過程都可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。PLC 軟件設(shè)計(jì)采用STEP7-Micro/WIN4.0的編程軟件編寫方框圖程序，根據(jù)工作條件和控制要求設(shè)計(jì)出機(jī)械臂進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)的PLC控制程序圖。工作步驟如下：開始后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂到達(dá)工件位置，壓緊氣缸將工件壓緊，此時(shí)電磁鐵通電、同步帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)將工件移至工作位置，加工機(jī)械啟動(dòng)，完成后電磁鐵斷電，旋轉(zhuǎn)電機(jī)將零件移至成品區(qū)，壓緊氣缸松開，控制過程結(jié)束。

在機(jī)械臂平面運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)里，機(jī)械臂控制器的結(jié)構(gòu)中含概了旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電磁鐵、同步帶電機(jī)、壓緊氣缸等零件。其中，機(jī)械臂的主要?jiǎng)恿碜杂谛D(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，而機(jī)械臂控制器會借助于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到控制手臂位置的目的，且能通過控制同步帶電機(jī)達(dá)到做出指定動(dòng)作的要求。在機(jī)械臂平面運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，首先分析機(jī)械臂在工作位置時(shí)傳感器在細(xì)節(jié)工作時(shí)所提供的確切位置信息，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)和工作的控制模型，依據(jù)機(jī)械臂抓取零件的預(yù)定軌跡對機(jī)械臂控制的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和壓緊氣缸變量進(jìn)行修改。機(jī)械臂平面工作系統(tǒng)需要在自動(dòng)模式配合機(jī)械加工完成指定的工件任務(wù)。自動(dòng)加工系統(tǒng)模塊主要包括了系統(tǒng)的啟動(dòng)、暫停、急停以及狀態(tài)監(jiān)控等功能。

由于機(jī)械臂帶動(dòng)的零件為軟質(zhì)材料，在簡化的一階控制系統(tǒng)中，氣缸的壓力會隨著不同的工件參數(shù)而實(shí)時(shí)的變化，且每個(gè)零件掉落的位置不同，因此控制所需的數(shù)學(xué)模型是變化的，控制系統(tǒng)不能按照某個(gè)零件的路徑數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自動(dòng)控制，這也需要利用到近期較流行的模糊智能控制的方法，解決微量的數(shù)學(xué)模型變化的問題，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)。在機(jī)械臂平面運(yùn)動(dòng)控制的分析過程中，修正了機(jī)械臂初始轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及壓緊氣缸的工作時(shí)間，應(yīng)用總動(dòng)量方程式對機(jī)械臂進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，并選取兩個(gè)比較關(guān)鍵的動(dòng)量維度進(jìn)行機(jī)械臂的動(dòng)量控制，建立了分解動(dòng)量控制對于機(jī)械臂平面運(yùn)動(dòng)的二維觸手端分解動(dòng)量控制矩陣，基于系統(tǒng)的硬件改善了機(jī)械臂平面加工零件的自動(dòng)控制方案。

3 結(jié)語

機(jī)械臂在平面內(nèi)完成指定工作在小型產(chǎn)品的全自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，在對整個(gè)工作過程的控制中仍有許多可改進(jìn)的地方，在組建機(jī)械臂控制的初始模型時(shí)依據(jù)機(jī)械臂在平面內(nèi)工作的抓取規(guī)律對機(jī)械臂控制的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和壓緊氣缸變量進(jìn)行修改，同時(shí)對機(jī)械臂控制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化，使得整個(gè)工作過程更加合理，但對PLC的應(yīng)用仍有較大的優(yōu)化空間。