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機械（xiè）臂平麵運動控製與分析

2017-3-31 來源：天津職業技術師範大學作者（zhě）：楊建華

摘要: 介（jiè）紹了機械臂在（zài）平麵內工作的控（kòng）製原理與過程，對硬件的選擇進行了介紹（shào）與（yǔ）分析，對整個控製係統進行了分析與優化設計，並應用了較為先進的模糊智能控製方法解決（jué）了（le）不（bú）同零件的抓取過程差異。

關鍵詞: 機械臂; 平麵運動（dòng）; 自動化; 控製; PLC

隨著我國科學技術的發展，機械臂在產品製造業的應用也越（yuè）來越廣，機（jī）械臂的（de）設計過（guò）程（chéng）中涉及到（dào）機械、控製、製造以及視覺等很（hěn）多技（jì）術，由（yóu）於機械臂的控製係統具有高階和低（dī）階多種自由度，因此對機械臂進行自動控製是自（zì）動化專（zhuān）業裏一個重點和（hé）難點問題。現實生產中，利用小（xiǎo）型機械臂對工件或產品進行平麵（miàn）內有規律的旋轉、曲線運動以及點坐（zuò）標移動（dòng），是小型機（jī）械臂工作的一個重要內容，也在國內外的工業生產中得到了比較廣泛（fàn）的使用。

1.係統硬件設計

係統（tǒng）硬件設計是機械臂平麵運動控製係統的根本，根據機械臂帶動工（gōng）件完成指定動作的工（gōng）作特點，控製係統的設計主要（yào）由驅動器（qì）、步進電機、電磁閥、PLC 和觸摸屏（píng）等組成（chéng）。根據輸入點和輸出點的數量，並且需要使用 PLC 來控製步進電機的工（gōng）作（zuò），輸出的信號為脈衝信號，通過對比（bǐ）市場現有技術模塊，最終決定選擇西門子生產的（de） 6ES7216 － 2AD23 － 0XB0CPU 226 DC / DC / DC 型 PLC 作為（wéi）本次機械臂的控製裝置，具有 24 個輸入和 16 個晶體管輸出。觸摸屏選用（yòng）昆侖通態生產（chǎn）的 TPC7062TX 作為人機交互的設備（bèi），有2個串行通信口( COM 口) ，這樣也更加容易地和 PLC 進行連接以及數據的傳遞。機械臂完成運動（dòng）的（de）步進電機以及（jí）相應的驅動器都選用森創 SD － 20806 和 56BYG250DK，SD － 20806 是細分型高性能步進驅（qū）動器，比較適合平麵運動機械臂（bì）所（suǒ）選用的兩相或四相混合式步進電（diàn）機，56BYG250DK 是（shì）兩相混合式步進電機，額定電流（liú） 2． 4 A，靜轉矩 1． 72 Nm，步距角為 18°。機械臂的轉動（dòng）結構動力選用了電機配合蝸輪（lún）蝸杆減速（sù）器的結構，電（diàn）機生產商為沈陽電機股份有限公司，產品型號 Y290M － 411B3，功率為0． 55 k W。穩壓電源（yuán）選（xuǎn）用 S － 120W － DC24 V，為觸摸屏、PLC和步進驅動器提供（gòng）直流 24 V。

2.控製係統的設計

在自動控製（zhì）係統裏，PLC 軟件是整個係（xì）統的關鍵，PLC 的輸入端連接著不同功能的開（kāi）關，PLC 輸出端（duān）負責控（kòng）製對象指示信號燈、中（zhōng）間繼電器以及電磁閥等。機械臂所完成的全部動（dòng）作都由 PLC 軟件進行控製和實施，整個運動和工作的過程都可以在觸摸屏（píng）上實時顯示。PLC 軟件設計采用 STEP7 －Micro / WIN4． 0 的（de）編程軟件編（biān）寫方框圖（tú）程序，根據工作條件和製要求設計出機械臂進行平麵運（yùn）動的（de） PLC 控製程序（xù）圖。工作步驟如下: 開始後，旋轉電機帶動機械臂到達工件位置，壓緊氣缸將工件壓緊，此時電（diàn）磁鐵通電、同步帶電機轉動，旋轉電機將工件移至工作位置，加工機（jī）械啟動，完成後電（diàn）磁鐵斷電，旋轉（zhuǎn）電機將零件移（yí）至成（chéng）品（pǐn）區，壓緊氣（qì）缸鬆開，控製（zhì）過程（chéng）結束。在機（jī）械臂（bì）平麵運動控製係統裏，機械臂控（kòng）製器的結（jié）構中含概了旋轉電機（jī）、電磁鐵、同步帶電機、壓緊氣缸等零件。其中，機械臂的主要動力來自於旋轉電（diàn）機，旋轉電（diàn）機（jī）帶動機械臂做圓周轉動，而機械臂控製器會借助於旋轉電機的（de）轉動達到控製手臂位置的目的，且能（néng）通過控製同步帶（dài）電機達到做出指定動作（zuò）的要（yào）求。

在機械臂平（píng）麵運（yùn）動自動（dòng）控製的優化設計過程中，首先分（fèn）析機械臂在工作位置時傳感器在細（xì）節工作時所提供（gòng）的確切（qiē）位置信（xìn）息，機械（xiè）臂運動和工作（zuò）的控製模型（xíng），依據機械（xiè）臂抓取零件的預定軌跡對機械（xiè）臂控（kòng）製的旋轉電機和壓緊（jǐn）氣缸變量進行修改。機械臂平（píng）麵工作係統需要在自動模式配合機（jī）械加工完（wán）成指定（dìng）的工（gōng）件任務。自動加（jiā）工係統模（mó）塊主要包括（kuò）了（le）係（xì）統的啟動、暫停、急（jí）停以及狀態監控等功（gōng）能。

由於機械臂帶動的零件（jiàn）為（wéi）軟質材料，在簡化的一階控製係統中，氣缸的壓力會隨著不同的工件參數而實時的變化，且每（měi）個零件掉（diào）落的位置不同，因此控製所需（xū）的數學模型是變化的，控製係統不（bú）能按照某個零件的路徑數學模型進行自（zì）動控（kòng）製，這也需要利用到近期較流行的模糊智能控製的方法，解決微量的數學模型變化的問題，使得整個控製係統的可靠性更強（qiáng）。

在機械臂平麵運動控製的分析（xī）過程中（zhōng），修正了機械（xiè）臂初始轉動電機的轉（zhuǎn）速以及壓緊氣缸的工作時間，應用總動量方程式（shì）對機械臂進（jìn）行驗證和優化，並（bìng）選（xuǎn）取兩個比（bǐ）較關鍵的動量維（wéi）度進行機械（xiè）臂的動量控製，建立了分（fèn）解動量控製對於機械（xiè）臂平麵運（yùn）動（dòng）的二維觸手端分解動量控製矩陣，基於係統的硬件改善了（le）機械臂（bì）平麵加工零件的自動控製方案。

3.結語

機械臂在平麵內完成指定工（gōng）作在（zài）小型產品的全自動（dòng）化生產中應用很（hěn）廣，在對整個工作過程的控製中（zhōng）仍有許多可改進的地方，在組建機械臂（bì）控製的初始（shǐ）模型時依（yī）據機械臂在平麵內工作的抓取規律對機械臂（bì）控製的旋轉電機和壓緊氣缸變量進行修改，同時對機械臂控製的數學模型進行了優化，使（shǐ）得整（zhěng）個工作過程更加合（hé）理，但對 PLC 的應用（yòng）仍有較大的優化空間。

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