基于PLC的两自由度并联机械手控制系统研究

　    机械手是能够按照给定程序、轨迹与要求模仿人手的部分动作，实现自动抓取、搬运或操作的自动化装置。并联机械手在控制的实时性上要求比较高，目前，基于PLC的机械手控制系统由于输入输出滞后、算法过于冗杂导致程序扫描周期过长，使得电机控制的实时性不够。

　　本文主要针对这些问题，设计了基于西门子运动控制器317ＴPLC的控制系统，采用主周期任务控制方式，并精简控制算法，从而保证了对机械手实时、精确地控制。

1 两自由度并联机械手

　　1.1 两自由度并联机械手结构

　　两自由度并联机械手主要由1对伺服电机、1对主动臂、1对从动臂、2支平衡杆、和1个托盘组成（图1）。该机械手系统使得静平台始终保持与机架固定状态，当平动盘在平面运动时，主动臂始端连接的伺服电机驱动2条运动链，共同完成机械手的运动操作。

图1 两自由度机械手结构图

　　1.2 两自由度并联机械手工作原理

　　整个系统由控制器、伺服驱动器、伺服电机、机械臂和其它辅助结构组成。

　　首先要在实际的空间即虚轴（ｘ，ｙ轴）中规划机械手目标运动轨迹曲线，使用插补指令（直线插补、圆弧插补、多项式插补）在虚轴中实现该目标运动轨迹曲线，插补指令每个时刻的输出是当前机械手在虚轴中的坐标（ｘ，ｙ），此坐标作为运动学反解算法的输人，经过运算得出此时机械手的实轴坐标即两个伺服电机转角（θ1，θ2），把这两个角度实时地送往机械臂的两个电机使其协调同步运行，实现机械手的运动。

2 系统硬件设计

　　两自由度并联机械手系统结构如图2所示，它由工控机，PLC、触摸屏、伺服驱动器（2个）、同步交流电机（2个）和编码器（2个）组成。其中工控机和触摸屏为监控层、用于对机械手运行情况的监控。PLC为控制层，用户在工控机里编写程序并下载到PLC中，从而实现PLC对伺服驱动的控制，控制两个伺服电机的协调同步运行。

图2 系统结构图

　　系统控制器选用西门子317Ｔ运动控制CPU，执行位操作工作循环时间仅为0.05μｓ，内置直线、圆弧插补等运动控制功能，能够实现两自由度并联机械手的高速、精确、稳定的控制要求。伺服驱动器选用ＳＩＮＡＭＩＣＳ　Ｖ６０，此型号伺服驱动器采用全闭环控制回路，确保精确定位，同时其具有快速电流限制（ＦＣＬ）功能，即使是刚性较低的系统，也可有效抑制加速／减速时的振动。伺服电机选用西门子1ＦＫ7，其具有高功率密度、高动态响应等优点。系统的通信选择：在317Ｔ控制器与ＰＣ机（用于编写控制程序并监控）、触摸屏之间采用ＭＰＩ总线方式进行通信，控制器通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ－ＤＲＩＶＥ（运动控制专用总线）总线同伺服驱动器进行连接，伺服电机和伺服驱动器通过专用电缆进行连接。