自由度并联机械手守门功能设计改

自由度并联机械手守门功能设计田建强、楚营辉、张毓淑（青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071）摘要随着工业自动化水平的提高，工业上对机械手的需求量越来越大。应用欧姆龙NJ系列运动控制器设计两轴并联机械手控制系统。系统由NJ运动控制器、触摸屏、伺服驱动器、伺服电机等硬件组成，NJ控制器通过ETHERCAT网络通信进行运动控制，实现了两轴并联机械手的协调动作，达到特定运动轨迹。该控制系统具有响应速度快，定位准确，稳定性强，误差小，调速方便等特点。NJ控制器在运动控制方面表现出极高的优越性。关键词SYSMACSTUDIONJ运动控制器触摸屏并联机械手DESIGNOFPARALLELMANIPULATORCONTROLSYSTEMABSTRACTWITHTHEIMPROVEMENTOFINDUSTRIALAUTOMATIONLEVEL,INDUSTRIALDEMANDFORMANIPULATORISBECOMINGBIGGERANDBIGGERUSEOMRONNJSERIESMOTIONCONTROLLERTODESIGNTWOAXISPARALLELMANIPULATORCONTROLSYSTEMTHESYSTEMISCOMPOSEDOFNJMOTIONCONTROLLER,TOUCHPANEL,SERVODRIVER,SERVOMOTORANDOTHERHARDWARECOMPONENTS,NJCONTROLLERTHROUGHETHERCATNETWORKCOMMUNICATIONFORMOTIONCONTROL,REALIZEDTHEHARMONIOUSACTIONOFTWOAXISPARALLELMANIPULATOR,INORDERTOACHIEVETHEPURPOSEOFIMPLEMENTSPECIFICTRAJECTORYTHECONTROLSYSTEMHASFASTRESPONSESPEED,ACCURATEPOSITIONINGANDSTRONGSTABILITY,THEERRORISSMALL,EASYSPEEDREGULATION,ETCINTHEASPECTOFMOTIONCONTROLITSHOWEDTHEEXTREMELYHIGHADVANTAGESKEYWORDSSYSMACSTUDIONJMOTIONCONTROLLERTOUCHSCREENPARALLELMANIPULATOR1引言随着工业自动化的发展，在现代工业生产上，处处可以看到机械手的身影。传统的单伺服机械手，独立多轴伺服机械手已经不能满足现代工业的需求，多轴协调联动机械手已经成为机械手发展新的方向。本文研制开发的此机械手为两自由度并联机械手，两自由度并联机械手具有平稳，准确，快速等优点，在食品加工，包装，物流等行业使用非常广泛，可以很好地体现NJ控制器的高速高精度特点。2并联机械手结构简介21机械结构此机械手为两自由度并联机械手，它的机动性与人体骨骼动作流程相似。该装置由两个伺服电机安装在静平台上，带动主动臂动作，主动臂连接从动臂动作，从而控制动平动盘的移动，它的机械结构如图1、主动臂2、从动臂（长平衡杆）3、平动盘4、减速机（减速比133）（背面为伺服电机）5、平衡杆（短）图1并联机械手机械结构22控制系统结构NJ的CPU单元内置了一种软件模块，称为运动控制功能模块，简称MC功能模块。通过内置在CPU单元上的ETHERCAT端口，MC功能模块可完成多达64轴的运动控制。MC功能模块进行运动控制时，通过ETHERCAT端口与连接到该端口的网络型伺服驱动器进行周期通信，从而实现高速度、高精度的伺服驱动控制，是进行大规模复杂运动控制的一种理想选择。它的控制系统是由NJ运动控制器通过ETHERCAT端口与两个网络型伺服驱动器通信，从而控制两个伺服电机工作。通过ETHERNET/IP与触摸屏通信，实现人机交流。就这样组成了两轴并联机械手控制系统。图2为控制系统结构图。图2控制系统结构图23系统控制要求触摸屏NJ5011300ETHERNET/IPETHERCAT网络型伺服驱动器伺服电机R88DKN04HECTZR88DKN04HECTZR88MK40030HS2ZR88MK40030HS2ZNS8TV0NS8TV011系统初始状态通过触摸屏把伺服电机松开抱闸后手动到如图2所示位置，然后电机抱闸，定义原点。2手动状态通过触摸屏上的点动按钮可以实现机械手上下左右点动，并可以获取极限之内任意点的坐标。（3）自动运行状态按下守门按键后，机械手自动守门；按下回初始位置按键，用于机械手臂回到初始位置的动作。3并联机械手系统软件设计软件设计包括控制程序设计和触摸屏画面设计。31控制程序设计预测小球的运动轨迹，判断其目标位置。注释1由视觉传感器获得两点（A0,B0）,（A1,B1）；2右边线球场宽度右小球半径，左边线球场宽度左小球半径；3Y轴上限机械手Y上限小球半径打击板宽度；4Y轴下限机械手Y下限小球半径打击板宽度；5机械手X右区间230；6机械手X左区间230；图3程序流程图根据系统自动运行状态的控制要求，画出了如图4的控制程序流程图，最后程序编写，通过SYSMACSTUDIO软件编程简单，通过调用内部功能模块指令如伺服锁定（MC_POWER、原点返回（MC_HOME、直线运动（MC_MOVE）等运动功能块，即可完成相应的定位。运用条件判断、内嵌ST等功能完成了对程序流程的控制。32触摸屏画面设计触摸屏为人机交流的主要渠道，人们通过控制触摸屏上的相应按钮，来控制此机械手的正常工作。触摸屏界面分为操作界面、参数界面。1操作界面用来控制机械手伺服电机的使能、抱闸、伺服锁定和回归原点，以及系统运行状态的显示和错误的清除。也能用来控制机械手的点动，判断机械手动作是否正常。它还可以实时的显示X、Y轴的坐标以及左右轴的角度。按下自动防守按钮后，机械手移动预判的小球目标位置坐标，并根据从视觉传感器实时传送的数据进行调整。图4操作界面2参数界面用来清晰地显示各个数据，并可改变相关参数。图5参数界面4结束语系统运行后，达到了预想的结果。程序运行可靠，系统定位精度高，实时性得到了极大的提高，增加了搬运铁片的速度。可见，采用欧姆龙NJ运动控制器和ETHERCAT网络型伺服组成的两轴并联机械手控制系统有很大的应用前景。此外NJ501的编程软件SYSMACSTUDIO，通过简单的设定，即可完成对控制器、网络、伺服以及其他现场设备的配置，通过内部功能块即可完成复杂的运动控制欧姆龙NJ控制器在自动化行业有着中广阔的应用前景。参考文献1徐世许机械自动化控制器原理与应用北京机械工业出版