陳　東，常德功

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

基于運(yùn)動(dòng)控制卡的沖床輔助機(jī)械手研究

陳東，常德功

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

摘要：沖床上下料頻繁、危險(xiǎn)且要求準(zhǔn)確定位，此對(duì)采用輔助機(jī)械手能準(zhǔn)確放置工件，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)沖床工件上下料及在2個(gè)工位間移動(dòng)，采用了具有4個(gè)旋轉(zhuǎn)副的四自由度沖床輔助機(jī)械手結(jié)構(gòu)。利用D-H法求解機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法，然后利用MATLAB軟件計(jì)算并描繪出其工作空間。采用PC+Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡及伺服驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)建了其控制系統(tǒng)，使用速度和位置雙閉環(huán)控制，并編寫運(yùn)動(dòng)控制程序和PLC程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手上下料及在2個(gè)工位間準(zhǔn)確和平穩(wěn)地移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)控制卡；沖床

機(jī)械手通常具有3個(gè)或3個(gè)以上可編程軸，通過編程實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)材料、零件或操持工具等多種作業(yè)。機(jī)械手特別適合配合自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床和柔性生產(chǎn)線使用，完成上下料和裝配工件等輔助工作[1-3]。沖床上下料頻繁，有一定危險(xiǎn)性，且要求定位準(zhǔn)確，自動(dòng)上下料輔助機(jī)械手能避免人為操作失誤，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，且上料定位準(zhǔn)確，工作可靠，效率較高。尤其是對(duì)于大型沖床，其對(duì)工作強(qiáng)度及效率的改善顯著。

機(jī)械手的控制可以采用單片機(jī)或PLC系統(tǒng)構(gòu)建，也可以采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的方法構(gòu)建[4-5]。基于運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)建的機(jī)械手控制系統(tǒng)具有良好的開放性，對(duì)編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器等硬件的兼容性更好，開發(fā)成本較低；而且通過在上位機(jī)和控制卡上編程，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜算法的運(yùn)動(dòng)控制功能。

為了實(shí)現(xiàn)零件上下料及在2個(gè)工位間移動(dòng)，沖床輔助機(jī)械手采用了四自由度機(jī)械臂，并采用Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)構(gòu)成開放式控制系統(tǒng)。

1輔助機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)研究

輔助機(jī)械手具有4個(gè)自由度，即吸盤旋轉(zhuǎn)、小臂俯仰、大臂俯仰和腰部旋轉(zhuǎn)，能夠組合完成前伸、抓取和移動(dòng)到指定工位等運(yùn)動(dòng)。

本機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有腕、肘、肩和腰共4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。底座上的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸鉛垂，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸都是水平的且相互平行。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，符合沖床輔助機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)要求。為減小沖床振動(dòng)對(duì)機(jī)械手定位精度的影響，應(yīng)將其安裝在沖床附近地面上。

圖1　機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

沖床抓取工件為約1 kg的薄壁類板件，所以選取H2311型電磁鐵吸盤吸附，不需要獨(dú)立氣源，對(duì)工件表面要求低。

因?yàn)闄C(jī)械手負(fù)載不大，諧波減速器具有傳達(dá)比大和精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以肘、肩和腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都采用伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)接諧波減速器傳動(dòng)的形式，肩、腰部選擇減速比為100的諧波減速器XBS-40，肘部選擇傳動(dòng)比為125的XBS-50，腕關(guān)節(jié)采用伺服電動(dòng)機(jī)連接同步楔形帶減速的傳動(dòng)形式。腰、肩關(guān)節(jié)處采用三菱HF-SP102伺服電動(dòng)機(jī)，肘、腕關(guān)節(jié)處采用HF-SP52伺服電動(dòng)機(jī)。

2輔助機(jī)械手工作空間及運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法

在臂長(zhǎng)等結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，由各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置計(jì)算出末端吸盤位置為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解算法；反之，由末端吸盤位置計(jì)算出各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置為反解算法。利用D-H法，可以通過坐標(biāo)的變換建立輔助機(jī)械手的正解方程。

機(jī)械手的工作空間立體圖如圖2所示。工作空間是吸盤所有能夠達(dá)到的空間位置的坐標(biāo)集合，應(yīng)該覆蓋工作要求的關(guān)鍵點(diǎn)。沖床輔助機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)為回零點(diǎn)(0，900，500)，毛坯抓取點(diǎn)(400，700，540)，工位1的抓取點(diǎn)(400，1 400，540)，工位2的抓取點(diǎn)(-400，1 400，540)，成品放置點(diǎn)(-400，700，540)。經(jīng)過這些點(diǎn)，走完1個(gè)循環(huán)分為13段的路程，先在XOY平面中平移，再沿Z軸上下移動(dòng)。根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程，利用MATLAB軟件，通過連續(xù)代入各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角參數(shù)，獲得吸盤的位置，計(jì)算描繪出其工作空間。輔助機(jī)械手工作空間仿真圖可以覆蓋回零點(diǎn)、上下料和兩工位點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2　機(jī)械手的工作空間立體圖

求解每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，用于點(diǎn)點(diǎn)之間移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制程序編寫。在MATLAB軟件中建立一個(gè)函數(shù)，函數(shù)定義為：[p,t]=stept(tstart,tend,pstart,pend,tstep)。參數(shù)含義依次為起始時(shí)間、終止時(shí)間、起始位置、終止位置和步長(zhǎng)。上述13段路徑以0.01 s為步長(zhǎng)使用該函數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算，從而得到吸盤到達(dá)上述關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角參數(shù)值。

3輔助機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輔助機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于采用PLC等其他控制方案，運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)算速度更快，且能自編運(yùn)動(dòng)控制算法，對(duì)編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器的兼容性更好，模塊化的架構(gòu)也更便于設(shè)計(jì)和維護(hù)。

Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡是Delta Tau公司開發(fā)的兼顧經(jīng)濟(jì)性與性能的運(yùn)動(dòng)控制卡，能實(shí)現(xiàn)四軸的運(yùn)動(dòng)控制，與計(jì)算機(jī)之間采用網(wǎng)線連接，便于長(zhǎng)距離分布式控制。網(wǎng)線利用568A反線接法，傳輸速率為10 Mb/s。

機(jī)械手控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。傳動(dòng)關(guān)節(jié)碼盤反饋正交編碼信號(hào)至Clipper卡,形成位置閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)精確位置控制；電動(dòng)機(jī)尾部編碼器反饋編碼信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，形成速度閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制，避免在搬運(yùn)薄壁工件過程中產(chǎn)生振動(dòng)。這種雙閉環(huán)的控制能實(shí)現(xiàn)沖壓件既精確又平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)控制。伺服系統(tǒng)選擇日本三菱MR-J3系列驅(qū)動(dòng)器及配套電動(dòng)機(jī)。

圖3　機(jī)械手控制原理結(jié)構(gòu)圖

4輔助機(jī)械手控制軟件設(shè)計(jì)

輔助機(jī)械手控制軟件分為6個(gè)功能模塊：系統(tǒng)初始化程序、位姿監(jiān)控程序、正反解算法程序、運(yùn)動(dòng)控制程序、PLC邏輯控制程序、示教和再現(xiàn)程序。機(jī)械手控制軟件程序模塊框圖如圖4所示。

圖4　機(jī)械手控制軟件程序模塊框圖

系統(tǒng)初始化程序完成Clipper變量初始化，并設(shè)置PLC程序運(yùn)行或停止運(yùn)行；位姿監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)把機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度采集上傳，并由此計(jì)算出末端的位姿狀態(tài)，在上位機(jī)顯示這些參數(shù)；PLC邏輯控制程序在后臺(tái)循環(huán)執(zhí)行，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)使能、限位和伺服報(bào)警等外部數(shù)字量信號(hào)的監(jiān)控，以及對(duì)內(nèi)部程序執(zhí)行情況與變量狀態(tài)變化的監(jiān)控；示教程序?qū)崿F(xiàn)示教模式時(shí)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，再現(xiàn)程序可實(shí)現(xiàn)示教時(shí)多個(gè)運(yùn)動(dòng)連續(xù)進(jìn)行；運(yùn)動(dòng)控制程序由很多基本的運(yùn)動(dòng)控制程序組成，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)可以調(diào)用它們組合實(shí)現(xiàn)，單關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)程序采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式命令I(lǐng)NC實(shí)現(xiàn)，用于示教模式下各關(guān)節(jié)的調(diào)整，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)停止程序由“&n a”命令實(shí)現(xiàn)，“n”對(duì)應(yīng)4個(gè)電動(dòng)機(jī)，“a”為電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)指令，多關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)程序采用絕對(duì)運(yùn)動(dòng)命令A(yù)BS，由P211～P214 四個(gè)變量存儲(chǔ)電動(dòng)機(jī)到達(dá)的角度，多關(guān)節(jié)同時(shí)停止程序使用“&n a”命令停止坐標(biāo)系“n”中所有4個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，快速回零運(yùn)動(dòng)程序采用絕對(duì)坐標(biāo)下“RAPID”快速運(yùn)動(dòng)命令實(shí)現(xiàn)；運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法程序可以被其他PMAC程序調(diào)用進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法程序用Q11、Q12和Q13變量存儲(chǔ)末端吸盤直角坐標(biāo)位置，利用Q14、Q15和Q16變量存儲(chǔ)繞各軸轉(zhuǎn)角，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法矩陣求得4個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值，存入P1～P4變量。

5結(jié)語

沖床輔助機(jī)械手采用PC+Clipper運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，減少了開發(fā)時(shí)間和成本。關(guān)節(jié)碼盤脈沖信號(hào)反饋至Clipper卡，電動(dòng)機(jī)編碼器反饋至伺服驅(qū)動(dòng)器，這樣實(shí)現(xiàn)的速度與位置雙閉環(huán)既能實(shí)現(xiàn)精確位置控制，又可以平穩(wěn)搬運(yùn)薄壁工件，避免振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Research on Punch Auxiliary Manipulator based on Motion Control Card

CHEN Dong, CHANG Degong

(College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

Abstract:Loading and unloading of workpiece on punch are frequent, dangerous and accurate positioning, so using manipulator is beneficial to improve work efficiency, reduce labor intensity while the workpiece is placed accurately. The manipulator structure has four revolute joints to realize workpiece loading, unloading and movement between two stations. D-H method was adopted to get forward and inverse kinematics algorithm, work space was calculated and diagramed by MATLAB software. PC+Clipper motion control card was used to construct the control system of manipulator. The workpiece loading and unloading, movement between two stations can be realized by motion control programs and PLC programs.

Key words:manipulator, motion control card, punch

收稿日期：2014-06-04

作者簡(jiǎn)介：陳東(1973-)，男，博士研究生，主要從事數(shù)控技術(shù)及智能機(jī)械等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A