基于PLC的高速并联机械手控制技术.pdf

第 3 期 总第 1 7 8期 2 0 1 3年 6月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG＆ AUT MATI ON 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 3 0 1 4 5 0 3 基于 P L C的高速并联机械手控制技术 胡 高峰 ，李 占贤，黄金凤 河北联合大学 机械工程学院，河北唐 山0 6 3 0 0 9 摘 要 以三菱 Mi t s u b i s h i Q O 2 H P L C和 QD 7 5 MH4运动控制模块及 Q J 7 1 C 2 4 N 串行通讯模块搭建 De l t a机械 手的控制系统 ，研究 了并联机械手的轨迹 规划、控制数据 通讯和 伺服参数整 定等保 证机械 手性 能的关键 技 术。实现 了 D e l t a机械手 的运动控制。 关键词 并联机械手 ；P L C；运动控制；参数整定 中图分类号 T P 2 4 1 文献标识码 A 0 引言 C l a v e l 博 士 于 1 9 8 5年 发 明 的 De l t a机 构L 1 七 是高 速并联机械手当中最具有代表性 的。De l t a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 D e l t a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 D e l t a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 De l t a高速并 联机械手为控 制对象 ， 搭建 基于 P L C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 D e l t a 机械手控制系统硬件平台 基于 De l t a高 速 并 联 机 械 手 的 机 构 特 点 ， 以 “ Mi t s u b i s h i Q O 2 H P L CQ D 7 5 MH4定位控制模块 串行 口通讯模块 7 1 C 2 4 N” 为核心搭建机械手控制 系统 ， 如图 l所 示 。 伺服驱 动器1 伺服驱 动器2 _ ． J 伺服驱动器3 轴l 伺服电机 2 l 编码器 轴l 堡鱼 3 f 编码器 圈 1机 械 手 控 制 系 统硬 件 组 态 框 图 1 控制 系统 C P U 采用 三菱 Mi t s u b i s h i Q0 2 H 工艺 中路径的规划和选择等任务。 C P U单元， 主要完成控制器 控制 系统参数管理 ， 操作 2 运动定位模块 控制 系统运动定位模块采用 空间中末端执行气爪的路径规划 ， 关节空间 中伺服 电 三菱 Mi t s u b i s h i QD 7 5 MH4多轴位置控制模块 ， 通过 机 3轴插补， 机械手转矩 、 位置 、 速度正解和逆解 的矩 主基板 Q3 8 B与 Mi t s u b i s h i Q0 2 H C P U 单 元通 讯。 阵运算[ 3 ] ， 与机械手运动相关 的开关量逻辑控制 ， 分选 定位模块负责伺服电机 的转矩 、 位 置和速度的控制与 收稿 日期 2 0 1 2 1 I - 0 7 ；修 回日期 2 0 1 2 1 z 一 1 8 作者筒介 ；胡高峰 1 9 8 7 一 ，男 ，河北唐山人 ，在读硕士研究生 ，研究方向并联机器人控制技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年第 3 期 监视 。 3 串行 口通讯模块 采用 Mi t s u b i s h i 0 3 7 1 C 2 4 N 通讯模块。该模块具有 R S 2 3 2和 R S 4 8 5两个通道， 可 同时进行 P L C C P U与上位机、 P L C C P U与触摸屏 的 通讯 。 4 工业触摸屏 选用三菱 A9 6 0 GO TE B A彩 色工业 触 摸屏 作 为图形 化 人机 界面 。触摸 屏通 过 R S ～2 3 2 C 串行通 讯线 与 Q J 7 1 C 2 4 N 通讯模 块连接 ， 从 而最终 与 P L C C P U 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 S F S 1 0 2 B 。相应伺 服驱 动 器规 格 为 MRJ 2 S 一 1 0 0 B， 与 QD 7 5 MH4构成 闭环 控制 。 采用 “ Mi t s u b i s h i Q0 2 H P L C QD 7 5 MH4定 位 控制模 块 串行 口通 讯 模块 Q J 7 1 C 2 4 N” 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 7 1 C 2 4 N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 D e l t a 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 De l t a机 械手用于电池质量分选操作 ， 机械手每次抓取一行共 1 6个 电池 ， 并 将 1 6个 电池分 为 1 ～ 1 0 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 P l ～P 5 一水平移动 P 6 ～ P 7 一 竖 直下 降 P 4 P 8 3 个 阶段 ] ， 如 图 2所示 。 往 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 P I C C P U在关节工作空间内对 3个伺服电机做插 补计算， 以保证 P l ～P 5 、P 6 ～P 7 、 P 4 --P 8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 P 1 ～P 2 、 P 2 ～P 3 、 P 3 ～P 4三段直线， 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 止一加速一匀速一减速一静止 ， 从而使动平台的速度 和加速度 “在操作空间中每一段直线的起点和终点 处为零， 且位移 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L 5 ] 。在已知位移 s 和最大加速度 n 的条件下， 3 4 5 次 多项式表 达式 为 “ 一 c 6 o - 一 1 8 o 手 。 l 2 o 手 。 ] 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 一 T E 3 o T 2 6 0 。 3 o 手 ] 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 一 [ 1 0 手 3 1 5 手 6 4 - , ] 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 一 1 [- 6 0 3 6 0 手 3 6 0 手 。 ] 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 厂■■一 T ／ 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 5 ．7 7 3 5 。 其中 T为经历该轨迹段所需要的时间； 为 3 4 5 次多项式运动规律的跃度 。 图 2中 ， P 5 --P 6 、P 7 P 8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。P L C C P U 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。 2 ． 2数据 传输 在所设计的控制系统 中， P L C C P U要经矩阵运算 对 3个伺服电机进行轨迹路径点运算， 并将计算结果 通过 Q3 8 B基板提供给定位模块 。定位模块采用三轴 线性插补的方式 ， 控制 3个伺服 电机联动 。P L C C P U 向定位模块传递位置和速度数据采用如下 3 种方式 1 逐点传输 逐点传递 即机械手轨迹规划与运 动控 制同时 进行 。P L C C P U 每 完 成一 路 径点 的位置 和速度计算 ， 即将数据传递给定位模块。电池提取位 置或放置位置不断变化或者在不确定的场合可使用该 方法 。此方法对于 P L C C P U的处理速度要求较高 。 2 批 量传输 批 量传递 即机械手准备就绪后 ， P L C C P U先对机械手当前运动轨迹的所有路径点进 行计算， 并将当前路径点 的所有数据全部传递给定位 模块。传递完成后机械手开始运动。在定位模块执行 运动控制的同时 ， P L C C P U对机械手的下一次轨迹路 径点进 行规 划 。这 样轨迹 规划 可 以有 效地利用 取放 电 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 3期 胡高峰 ， 等 基 于 P L C的高速 并联机械 手控制技 术 1 4 7 池的工作时间， 有效减小 了数据传输对机械手运动控 制周期的影响， 但需要知道机械手下一次的运动轨迹。 3 选择传输 将 机械手抓放 电池的起始点 坐标 和终点坐标通过触摸屏传输给 P L C C P U。P L C C P U 计算出所有轨迹的路径点， 然后锁存在 P L C C P U 中。 机械手每次运动前根据上位机传递 的电池种类通 过 P L C C P U将机械手的运动轨迹传输给定位模块 。该 方式在机械手运动控制过程 中数据传递量小 ， 响应快， 但轨迹数量多时需要 占用 P L C C P U较大的内存。 采用哪种数 据传输方式需根据 机械手的具体工 况 ， 本例中机械手用于对不 同电化学性能的电池进行 分选 ， 工况为 电池托盘 中 2 5 6个 电池 行 列 一1 6 1 6 测试 完毕后 通过上位 机将测试数据 传输 给 P L C C P U ， 机械手收到当前行电池分类信息后从托盘内提 取当前行电池， 并快速将每个 电池放置在相应 的传送 螺旋槽 中。根据 电池分选要求 ， 所有电池分为 1 ～l O 个质量等级 。机械手抓取一行 1 6个电池后 ， 第一类要 释放的电池有 1 O种 可能的运动路径。释放完第一类 电池后剩下的电池有 9种可能的运动路径。释放完第 二类 电池 后剩下 的电池 有 8 种 可能 的运动 路径 。以此 类推直至一排 1 6个 电池全部释放完毕， 机械手共 有 6 5种可能的路径 。考虑到 Q D7 5 MH4支持的定位 控 制点数有限， 且不能支持间接寻址， 故本文中采用了选 择传输 。 依据上述规则 ， 只需将 电池 的抓取位置坐标 和释 放位置坐标通过触摸屏输送给 C P U 模块。机械手 每 分选一行电池前先根据 电池 的种类 自动计算轨迹 ， 然 后 C P U模块将轨迹点通过传输给 QD7 5 MH4 ， 从而控 制机 械手 运动 。 3 伺 服 参数 的整定 为提高机械手的操作性能 ， 需要根据机械手的负 载、 速度 、 可达空间对机械手的伺服参数进行调整。由 于机械手末端执行气爪 没有检测装置检测其定位 误 差 ， 因此该系统为半闭环伺服系统。位置环 、 速度环和 电流环均有调节器 ， 也就是比例积分微分调节， 调好这 3 个系数 也就有效保 证 了机械手 的操 作性能。对于 MRJ 2 S B系列伺服放大器 ， 其伺服系统 的控制算 法都嵌入到放大器的硬件 中， 故整个系统的伺服参数 调整都 在 放大 器 中进行 。计 算机 通过 MRZ J W3 一 S E TUP 1 6 l E三菱伺服设定软件以串行通讯的方式写 入到放大器中。通过对基本参数、 调整参数 、 扩展参数 的分析 ， 对负载惯量 比、 位置控制增益 1和 2 、 速度控 制增益 、 速度积分补偿 、 速度微分补偿和前馈增益进行 了调整 。调整后使机械手跟随误差较小 ， 具有 良好 的 刚性而且操作空间没有较大的振动和冲击 。 4结 论 本 文 以 “ Mi t s u b i s h i Q0 2 H P L C QD 7 5 MH4定 位控制模块 串行 口通讯模块 Q J 7 1 C 2 4 N” 为核心搭 建 了高速并联机械手控制系统硬件平 台， 对并联机械 手轨迹规划 、 数据传输 、 伺服参数整定等技术进行 了深 入 的 研 究 ，得 出 如 下 结 论① 以P L C C P U、 QD7 5 MH4 、 0 37 1 C 2 4 N为核心搭建 出的机 械手硬件 平台， 具有组态简单 、 可靠性高的优点 ， 上位机与 P L C 实时进行通讯并且路 径规划与运动控制并行处理， 能 够满足高速并联机械 手实时控制 的要求； ②根据机械 手具体工况， 提出了 3种不同的轨迹路径点数据传输 方式 ， 满足 了不同的工作要求； ③根据机械手 的负载、 速度 、 可达空间对机械手的伺服参数进行了调整， 使机 械手具有 良好的操作性能 。 参考文献 E 1 3 C l a v e l R ．D e v i c e f o r d i s p l a c i n g a n d p o s i t i o n i n g a n e l e me n t i n s p a c e WI P O， WO 8 7 O 3 5 2 8 A l [ P ] ．1 9 8 7 0 6 1 8 ． E 2 3 C l a v e l R ．D e v i c e f o r t h e mo v e me n t a n d p o s i t i o n i n g o f a n e l e me n t i n s p a c e U S ，4 9 7 6 5 8 2 [ P ] ．1 9 9 0 1 2 1 1 ． [ 3 ] 李 占贤， 孙 淑慧 ， 黄金风． 基于 P L C的高速并联 机械手控 制技术 [ J ] ． 中国制造业信息化 ， 2 0 0 6 1 1 2 7 2 9 ． fi 4 ] 李 占贤． 高速轻型并联 机械手 关键技术 及样机 建造[ D ] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 4 4 5 4 8 ． [ 5 ] 张利敏． 基 于动力学 指标 的 D e l t a高速并联机械手集成优 化设计方法研究[ D ] ． 天津 天津大学， 2 0 1 0 2 3 2 5 ． PLC_- b a s e d Co nt r o l Te c h no l o g y o f A Hi g h - - s pe e d Pa r a l l e l Ro b o t HU Ga o - f e n g，LI Zh a n - x i a n，HUANG J i n - f e n g Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g，He b e i Un i t e d Un i v e r s i t y，Ta n gs h a n 0 6 3 0 0 9，Ch i n a Ab s t r a c t B a s e d o n Mi t s u b i s h i Q0 2 H CP U a n d QD7 5 MH4 mo t i o n c o n t r o 1 u n i t a n d 7 l C 2 4 N c o mmu n i c a t i o n mo d u l e ，t h e c o n t r o l s y s t e m o f a De l t a ma n i p u l a t o r wa s s e t u p ，t h e k e y t e c h n i q u e s i n r o b o t c o n t r o l ，s u c h a s t r a j e c t o r y p l a n n i n g ．d a t a c o mmu n i c a t i o n a n d p a r a me t e r t u n i n g，we r e s t u d i e d．a n d t h e mo t io n e o n t r o 1 o f t h e r o b o t wa s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s p a r a l l e l r o b o t ；PL C,mo t i o n c o n t r o l ；p a r a me t e r t u n i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m