史東強+張嫻

摘 要：DELTA并聯(lián)機械手具有其結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、運行速度快、精度高等優(yōu)點，因此廣泛的應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)生產(chǎn)線上作為裝配或分揀機構(gòu)。本文以三菱Q系列PLC為核心控制器，以QD75P2定位模塊和三菱伺服驅(qū)動單元為運動控制部件，制作了一臺DELTA機械手裝置，利用SVM等視頻智能分析技術(shù)，實現(xiàn)不同形狀和不同特點物體的識別和分揀，具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機械手 三菱QPLC QD75 視覺分析

1 引 言

機器人可以代替人類進行很多繁重和危險的工作，是過去數(shù)千年一貫的夢想。人類進入二十一世紀(jì)以后，現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，讓機器人逐漸由夢想變?yōu)楝F(xiàn)實?，F(xiàn)在機器人已經(jīng)成為信息和自動化行業(yè)蓬勃發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。機器人從結(jié)構(gòu)上可以分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩類，串聯(lián)機器人具有工作空間大、操作靈活等優(yōu)點，雖然在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，但是它也存在承載能力低、動力學(xué)性能差和關(guān)節(jié)誤差累積等缺點。在實際應(yīng)用中需要機器人具有高的承載能力、良好的動力學(xué)性能以及高精度等要求時，這就迫切需要有另外一種機械結(jié)構(gòu)形式的機器人可供選擇。在這種情況下，并聯(lián)機器人就應(yīng)運而生了。并聯(lián)機器人與傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有運行速度快、承載能力強、高柔性化、精度高以及慣性小等特點，因而在航天、航空、航海、機電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動機械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

并聯(lián)機械手由于其諸多的優(yōu)點成為現(xiàn)在研究領(lǐng)域的熱點，由于其運行速度快、承載能力強、高柔性化、精度高以及慣性小等特點，已在航天、航空、航海、機電工業(yè)、醫(yī)療器械、微型微動機械等方面得到了廣泛的應(yīng)用。PLC的控制使得并聯(lián)機械手的運動軌跡和控制更加的科學(xué)化、人性化?？勺詣影闯绦蛲瓿晒ぜ臋z測、抓取、放置、按照設(shè)定的軌跡進行工作，保證了伺服電機、主軸、從動軸等各執(zhí)行構(gòu)件的動作相互協(xié)調(diào)，系統(tǒng)運行可靠。

2硬件方案設(shè)計

本文設(shè)計的并聯(lián)機械手主要由三條主動臂、三條從動臂和上下兩個平臺組成，每條主動臂上由一個伺服電機驅(qū)動，一個鋁制主動臂和一組碳棒組成的從動臂連接，兩個平臺也分別是用鋁材料打造而成。三個伺服電機固定在主平臺上，電機與鋁制主動臂是通過鍵結(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)使電機與主動臂聯(lián)為一體，主動臂另一端同從動臂連接，從動臂與動平臺框架連接。當(dāng)機構(gòu)圓點回歸運動時，主動臂末端連接的三個伺服電機同時作用于動平臺，這樣就可以讓動平臺位于固定的一點，全部結(jié)構(gòu)由三維建模軟件SOLIDWORKS設(shè)計并仿真，在完成仿真后進行分零件加工。并聯(lián)機械手運動機構(gòu)的三維模型圖如下圖1所示。

當(dāng)機構(gòu)需要對物體進行抓取時，則需要伺服電機同時輸出不同的脈沖數(shù)，進而帶動整個機構(gòu)到達(dá)指定位置。動平臺框架上可以根據(jù)生產(chǎn)中的實際需要來安裝不同形式的抓手。本文為了實現(xiàn)對不同形狀鎳鐵合金物體的抓取，采用了電磁鐵，用于拾取工作臺內(nèi)的鎳鐵金屬物件（例如螺絲，螺帽，硬幣等），體現(xiàn)機械手整體的靈活性、精確度而選擇，為了不影響吸取周圍的金屬物件，吸盤的周圍增加了緩沖套，為了能吸到物件偏離而設(shè)計，也可以防止吸到其他的物件，選擇吸盤不止可以金屬分類，也可以對金屬和非金屬的雜物進行篩選。在動平臺不但可以裝電磁鐵，也可以和切割、畫圖、掃描等功能多元化結(jié)合，可以拓展的功能多種多樣。

為了進行視覺信息的采集，本機構(gòu)中采用了攝像頭模塊，其分辨率為320*640像素，視角為75度廣角鏡頭，主要功能是捕捉工作臺上的物件位置外觀，可以附件工作錄像、實施拍照等功能，增加攝像頭可以大大提升了設(shè)備的智能化水平，對于不同的器件的分揀，只需要擴展其識別類別即可。攝像頭的工作內(nèi)容為識別工件的位置、形狀等信息，將相關(guān)信息傳輸?shù)饺藱C界面，人機界面將數(shù)據(jù)進一步傳輸?shù)絇LC，等待PLC計算并控制機械手動作并對其監(jiān)視，確認(rèn)無誤后進行下次識別工作。

PLC可編程控制器作為本裝置的控制核心處理器，選擇的是三菱Q系列PLC，作為一款中型PLC產(chǎn)品，三菱Q系列PLC具有更高的處理速度和更多的智能模塊可以選擇。具體的各模塊型號如下：Q61P電源、Q30UDCPU、QD75D2N定位模塊、QX40輸入模塊、QY10輸出模塊、QJ71E71-100以太網(wǎng)模塊，伺服運動控制器選擇：三個MR J3-10A伺服驅(qū)動器、三個HF-KP13伺服電機。

本裝置狀態(tài)的監(jiān)控采用三維力控監(jiān)控軟件，作為一款主流的控制監(jiān)控HMI，力控提供了性能優(yōu)異的實時數(shù)據(jù)庫、多設(shè)備接口、專業(yè)的HMI等功能，為完成機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。

3軟件方案設(shè)計

3.1 PLC控制模塊

在PLC程序中采用雙精度64位的浮點型傳送指令將實物中的主動臂長度，從動臂長度輸入到某個指定的位置中，如"EDMOVP E20 D2"。然后，運用PLC程序里的浮點型算法指令"ED*、ED/、ED-、ED+"編寫上述計算出夾角的方程，PLC程序中動平臺中心點P的坐標(biāo)是通過外部信號傳輸給它的，每一次P點的坐標(biāo)更新都會通過PLC編寫的算法重新進行計算，PLC算法最終是計算出主動臂和XY平面的浮點型弧度角，所以需要再通過PLC轉(zhuǎn)化，將算出來的浮點型弧度值轉(zhuǎn)化，如"DINTD D0 D4"。最后對計算出來的弧度進行放大處理轉(zhuǎn)化為三個伺服電機的脈沖數(shù)，讓三個電機運行到硬幣位置，電磁鐵得電硬幣被吸引實現(xiàn)抓取，抓取后運動到指定區(qū)域后電磁鐵失電實現(xiàn)硬幣放置，完成本次智能識別抓取任務(wù)，并進行下一次識別動作準(zhǔn)備。

3.2 定位模塊參數(shù)設(shè)置

伺服放大器MR-J3-10A具有更高性能和更高功能，其控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，廣泛用于機械工具和工業(yè)機械等需要高精度位置控制和平穩(wěn)速度控制。伺服控制參數(shù)的設(shè)定是本設(shè)計的重點，通過Q系列PLC的參數(shù)設(shè)置使用編程軟件Works2對其自帶定位參數(shù)進行修改，伺服系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，是根據(jù)系統(tǒng)要求對可編程控制器的參數(shù)進行相關(guān)設(shè)置，從而使PLC通過脈沖來控制伺服放大器來對伺服電機控制，通過設(shè)置機械設(shè)備和相應(yīng)電機的速度來對系統(tǒng)進行速度控置。

3.3 PLC控制模塊

視覺識別模塊主要完成對硬幣形狀、顏色、大小的識別。它是整個裝置中的核心信息驅(qū)動模塊，主要由工業(yè)攝像機和相關(guān)軟件組成。工業(yè)攝像機可以清晰的拍攝到物料圓槽中的所有飾品，并形成圖像傳遞給信息處理計算機，為了完成飾品原料的精確抓取，需要完成樣本庫的創(chuàng)建、圖像的抓取、二值化、輪廓識別、子圖摳取、子圖旋轉(zhuǎn)、矢量化運算、樣本比對等環(huán)節(jié)，最終完成每個飾品的位置、方位、傾角、文字符號的定位和模式識別。得到這些信息后，機械手才能正常的完成工作。因此視覺識別模塊為系統(tǒng)核心模塊和其他模塊的正常運轉(zhuǎn)提供必要條件。

4系統(tǒng)調(diào)試

4.1 程序編輯

使用三菱編程軟件GX Works2進行程序的編輯，打開GX Works2軟件，設(shè)置相關(guān)PLC參數(shù)，進入主程序編輯界面，輸入相關(guān)程序，編輯QD75P2模塊的相關(guān)參數(shù)。具體操作步驟如下：

（1）新建程序文檔，更改程序文件名；

（2）進入軟件，更改PLC類型、程序語言；

（3）輸入用戶程序，在程序編輯框內(nèi)，逐條輸入程序指令；

（4）編輯程序，如果程序中有語法錯誤，則給出錯誤的數(shù)量。

4.2 模擬調(diào)試

通過計算機和PLC連接，使用編程軟件GX Works2上的模擬調(diào)試功能對系統(tǒng)進行虛擬調(diào)試，虛擬調(diào)試不需要連接設(shè)備減小了系統(tǒng)損耗，也使程序編寫更加方便，是系統(tǒng)調(diào)試必須要進行的環(huán)節(jié)，具體操作步驟如下：

（1）在斷電情況下，用編程電纜（PC/PPI電纜）將計算機和PLC主機相連；

（2）接通計算機與PLC的工作電源；

（3）在計算機上運行GX Works2軟件，并進行正確的通信參數(shù)設(shè)置；

（4）通過GX Works2軟件，將機械手的控制系統(tǒng)程序?qū)胫罰LC中，并將相關(guān)的定位數(shù)據(jù)同時寫入PLC中；

（5）建立計算機和PLC主機的在線聯(lián)系；

（6）用戶程序監(jiān)視運行；

（7）用戶程序動態(tài)調(diào)試。

結(jié)合程序監(jiān)視運行的動態(tài)顯示，分析程序運行的結(jié)果，以及影響程序運行的因素，然后在STOP狀態(tài)下對程序進行修改編輯，重新編譯、下載、監(jiān)視運行，如此反復(fù)修改調(diào)試，直至得出正確運行結(jié)果為止。

4.3聯(lián)機調(diào)試

在斷電條件下硬件線路接好，按照電路圖要求，將PLC和外部設(shè)備通過航空插座相連，同時將PLC和編程計算機，伺服放大器與伺服電機相連。將系統(tǒng)所有設(shè)備接通電源后，PLC在計算機的監(jiān)視下運行用戶程序。觀察系統(tǒng)運行動態(tài)是否符合設(shè)計要求。伺服電機執(zhí)行回原點動作，定位啟動按鍵斷開，按下"原點回歸"按鍵，近位開關(guān)將回到起始位置。第一步定位完成。 當(dāng)攝像頭成功的識別出物體后，PLC將位置數(shù)據(jù)傳送給各個伺服放大器，伺服放大器驅(qū)動X、Y、Z軸同時運動，到達(dá)定位點，接著，PLC控制電磁鐵得電，將物體吸引實現(xiàn)抓取；最后，當(dāng)機械手抓到物體后，再將抓取物體先提升到指定高度，平移，最后下移，到達(dá)指定高度后，將物體放置下來，并做好對下一物體的抓取準(zhǔn)備，完成了一個抓取周期。

5 結(jié) 論

并聯(lián)機械手由于其剛度大、承載能力弱、響應(yīng)速度快、精度高以及慣性小等特點，在輕工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了機械代替人力的典型范例。隨著機械手應(yīng)用的普及，機械手向著專用化、機械結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化的方向發(fā)展，機械手的運動更加的靈活準(zhǔn)確多樣化，其控制方式也在向著多元化的方向發(fā)展，其應(yīng)用將有著更大的發(fā)展空間。

參考文獻（References）

【1】王成福.黃敏，張小杭.電器及PLC控制技術(shù) [M].浙江大學(xué)出版社，2008.（Wang Chengfu， Huang Min， Zhang Xiaohang. [M]. control technology， Zhejiang University press， 2008.）

【2】王海， 李洪奎， 劉曉. 基于PLC的多軸控制研究[J]. 機械工程學(xué)報， 2008.（Wang Hai， Li Hongkui， Liu Xiao. Based on the multi axis control of [J]. PLC Journal of mechanical engineering， 2008.）

【3】劉建峰. 基于PLC的多軸運動控制系統(tǒng)的研究[J]. 機械制造與自動化， 2007.（Liu Jianfeng. Research on multi axis motion control system based on [J]. PLC machine manufacturing and automation， 2007.）

【4】張萬忠.可編程控制入門與應(yīng)用實例[M].北京：中國電力出版社， 2005.（Zhang Wanzhong. Introduction and application of programmable control [M]. Beijing： China Electric Power Press， 2005.）

【5】劉洪濤.PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2007.（Liu Hongtao.PLC application development from basic to practice [M]. Beijing： Electronics Industry Press， 2007.）

【6】徐國林.PLC控制技術(shù)[M] 徐國林.北京：機械工業(yè)出版社， 2007.（Xu Guolin.PLC control technology [M] Xu Guolin. Beijing： Mechanical Industry Press， 2007.）

【7】呂景泉.可編程控制器技術(shù)教程（第2版）.北京：高等教育出版社，2006.（ Lv Jingquan. Programmable controller technology tutorial （Second Edition）. Beijing： Higher Education Press， 2006.）

【8】三菱電機.伺服驅(qū)動器的技術(shù)資料[M].上海： 三菱電機自動化上海有限公司， 2004.（MITSUBISHI motor. Technical data of servo drive [M]. Shanghai： MITSUBISHI electric automation Shanghai Co.， Ltd.， 2004.）