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。

　　（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.

　　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。

　2.2 数据传输

　　在所设计的控制系统中，PLC CPU 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Q38B 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。PLC CPU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。PLC CPU 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PLC CPU 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，PLC CPU 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，PLC CPU 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PLC CPU 。PLC CPU计算出所有轨迹的路径点，然后锁存在PLC CPU 中。机械手每次运动前根据上位机传递的电池种类通过PLC CPU 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PLC CPU 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256个电池（行×列＝16×16）测试完毕后通过上位机将测试数据传输给PLCCPU ，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（1～10）个质量等级。机械手抓取一行16个电池后，第一类要释放的电池有101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16个电池全部释放完毕，机械手共有65种可能的路径。考虑到QD75MH4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CPU 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CPU 模块将轨迹点通过传输给QD75MH4，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MR － J2S － 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MRZJW3－SETUP161E 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“Mitsubishi Q02H PLC ＋ QD75MH4定位控制模块＋ 串行口通讯模块QJ71C24N”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PLC CPU 、QD75MH4、QJ71C24N 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PLC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。