1 自動(dòng)取、封蓋機(jī)械手結(jié)構(gòu)

　　本文對(duì)實(shí)現(xiàn)圓柱型桶的桶蓋取蓋或封蓋的機(jī)械手控制技術(shù)進(jìn)行研究。桶的高度約1.5M，用來(lái)裝放射性廢料或有毒化學(xué)品，蓋與桶靠10個(gè)螺栓進(jìn)行固定連接。對(duì)此類(lèi)桶操作的自動(dòng)取、封蓋機(jī)械手（見(jiàn)圖1）具有5個(gè)自由度：水平移動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行精確定位的X－Y平臺(tái)的X方向移動(dòng)和Y方向移動(dòng)以及該平臺(tái)末端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的末端帶有10套擰緊機(jī)及桶蓋的抓緊裝置。水平及升降機(jī)構(gòu)通過(guò)水平運(yùn)動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)使X－Y平臺(tái)移動(dòng)到預(yù)定位置，再通過(guò)X－Y平臺(tái)的X方向和Y方向的微小移動(dòng)以及末端的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使擰緊機(jī)的套筒軸線對(duì)準(zhǔn)螺栓中軸，然后下降至作業(yè)位置進(jìn)行桶蓋的夾緊及螺栓的擰緊或擰松操作。

1－水平移動(dòng)伺服電機(jī)；2－升降運(yùn)動(dòng)伺服電機(jī)；3－可以進(jìn)行X，Y方向移動(dòng)的X－Y平臺(tái)；4－旋轉(zhuǎn)末端；5－用螺栓連接的桶及桶蓋；6－輸送輥道
圖1　自動(dòng)取、封蓋機(jī)械手結(jié)構(gòu)

　　機(jī)械手控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)取、封蓋和手動(dòng)操作，及對(duì)自動(dòng)取、封蓋過(guò)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、記錄等功能，同時(shí)具有可靠性高、易操作、易維護(hù)、易升級(jí)改造等特點(diǎn)。由于系統(tǒng)要求操作柜與機(jī)械手本體隔離，機(jī)械手控制涉及到5個(gè)自由度的伺服運(yùn)動(dòng)控制和10個(gè)擰緊軸程序控制，且控制單元選自多個(gè)廠家，控制信號(hào)數(shù)量和種類(lèi)繁多，因此搭建基于PLC的控制系統(tǒng)是關(guān)鍵技術(shù)。2 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　圖2為控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用雙PLC控制，PLC1裝在操作柜內(nèi)，PLC2裝在電氣柜內(nèi)。PLC1采用三菱Q系列模塊式PLC，配置5槽基板、電源模塊、Q02H高性能CPU模塊、32點(diǎn)數(shù)字輸入模塊、16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊、通訊模塊（RS232、485各1通道）和CC＿Link模塊各1塊，各模塊插在基板插槽內(nèi)，模塊間通過(guò)基板內(nèi)部總線連接。數(shù)字輸入模塊連接操作臺(tái)面各按鈕、旋鈕開(kāi)關(guān)，數(shù)字輸出模塊連接操作臺(tái)指示燈、喇叭等。通訊模塊上的RS232通道與上位機(jī)通訊，RS485通道與10臺(tái)擰緊機(jī)通過(guò)ModbUS協(xié)議通訊可大大減少設(shè)備之間連線。其中，PLC1通訊模塊為主站，10臺(tái)擰緊機(jī)各為1個(gè)從站。PLC2采用三菱Q系列模塊式PLC，配置8槽基板、電源模塊、Q02H高性能CPU模塊、32點(diǎn)數(shù)字輸入模塊、CC＿Link模塊、4軸定位模塊、2軸定位模塊各1塊、16點(diǎn)數(shù)字輸出模塊2塊，負(fù)責(zé)自動(dòng)取封蓋運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制和邏輯控制。數(shù)字輸入模塊連接各伺服放大器、變頻器狀態(tài)輸出點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)等，數(shù)字輸出模塊連接各伺服放大器、變頻器控制輸入接點(diǎn)。

圖2 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

　　4軸定位模塊控制X－Y旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，為了與選購(gòu)的驅(qū)動(dòng)器相匹配，采用差動(dòng)脈沖輸出定位模塊。2軸定位模塊以SSCＮＥＴ高速通訊方式控制提升、平移伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，便于對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可減少系統(tǒng)連線。兩個(gè)PLC間通過(guò)CC＿Link通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中，PLC1中的CC＿Link模塊為主站，PLC2中的CC＿Link模塊為本地站。

　　采用三菱自帶增量式編碼器伺服電機(jī)HC－SFS152，并配備三菱MR－Ｊ2S－200Ｂ型三相220V供電的伺服放大器。

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡及數(shù)據(jù)通訊

　　3.1 運(yùn)動(dòng)軌跡

　　機(jī)械手主要進(jìn)行平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)作業(yè)，如圖3所示。對(duì)于每個(gè)循環(huán)操作，機(jī)械手末端都要經(jīng)過(guò)左移、下降、X方向微動(dòng)、Y方向微動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、取蓋或者封蓋、上升、右移的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)為連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，需要在工作空間內(nèi)做插補(bǔ)計(jì)算，并保證運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定的軌跡精度。要求水平運(yùn)動(dòng)和上下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程為靜止、加速、減速、靜止，即要求平臺(tái)在軌跡起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度和速度為零，以此來(lái)減小過(guò)程沖擊和殘余振動(dòng)。

圖3 機(jī)械手軌跡圖

　　3.2 數(shù)據(jù)通訊

　　在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，軌跡規(guī)劃計(jì)算在CPU單元進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線提供給運(yùn)動(dòng)控制模塊，位置控制模塊在插補(bǔ)點(diǎn)間采用PVT插補(bǔ)控制2個(gè)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)。CPU與位控模塊間的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通訊可采用以下3種方式：

　?、僦瘘c(diǎn)傳遞，CPU單元每完成一插補(bǔ)點(diǎn)計(jì)算，即將數(shù)據(jù)傳遞給位控模塊，與此同時(shí)，位控模塊控制機(jī)械手完成前兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)，即軌跡規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制同時(shí)進(jìn)行，該方式適用于位置不斷變化的場(chǎng)合；

　?、谂總鬟f，CPU單元預(yù)先連續(xù)對(duì)機(jī)械手整條運(yùn)動(dòng)路徑的各插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并一次性將數(shù)據(jù)傳遞給位控模塊，同時(shí)，位控模塊控制機(jī)械手進(jìn)行前一條軌跡運(yùn)動(dòng)，批量數(shù)據(jù)的傳遞可以在作業(yè)間隙進(jìn)行，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制周期影響小，但需要預(yù)知機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡；

　?、鄄楸矸?，將機(jī)械手可能的運(yùn)動(dòng)軌跡的所有插補(bǔ)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息預(yù)先計(jì)算并傳遞給位控模塊中儲(chǔ)存，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置信息查表取得各插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)變量，該方式在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中單元間數(shù)據(jù)傳遞量小、響應(yīng)快，尤其適用于軌跡數(shù)量有限的場(chǎng)合。

　　基于上述分析，本系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)量有限，兩軸定位模塊主要針對(duì)水平移動(dòng)和上下移動(dòng)兩個(gè)方向，機(jī)械手從水平到固定位置并上升或者下降到一定高度，位置固定，因此采用查表法。位控模塊根據(jù)編號(hào)查表取得各插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)位置和速度信息控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。對(duì)于外購(gòu)的XY平臺(tái)，由于每次的位移量不一致，并且需要精確計(jì)算，利用四軸運(yùn)動(dòng)控制模塊的逐點(diǎn)傳遞法進(jìn)行控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要由初始化功能、自動(dòng)操作功能、手動(dòng)操作功能、數(shù)據(jù)通訊功能、軌跡規(guī)劃功能等程序模塊構(gòu)成。PLC　CPU采用循環(huán)掃描機(jī)制工作，在每個(gè)掃描周期都要完成自檢、Ｉ／Ｏ更新、數(shù)據(jù)通訊等操作。為了保證系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要合理設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)、減小掃描周期。本程序采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將具有獨(dú)立功能的程序段編制成一個(gè)模塊，采用分層嵌套形式。這樣在一個(gè)掃描周期根據(jù)功能需要調(diào)用相應(yīng)功能模塊，就可以大大減小掃描周期，提高程序執(zhí)行速度，便于理解和調(diào)試。

　　4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件是采用NI公司的Labview進(jìn)行開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面，通過(guò)與PLC通訊模塊的通訊來(lái)完成過(guò)程數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄查詢(xún)、報(bào)警信息查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置。上位機(jī)程序同樣采用模塊化編程，軟件包括3大部分：初始化模塊、過(guò)程模塊和通訊模塊。過(guò)程模塊中又包含動(dòng)畫(huà)模塊、擰緊過(guò)程監(jiān)視曲線模塊等等。對(duì)擰緊過(guò)程采用扭矩－角度及扭矩－時(shí)間曲線圖進(jìn)行監(jiān)視，在規(guī)定的旋轉(zhuǎn)角度和時(shí)間內(nèi)扭矩值在設(shè)定的范圍內(nèi)即認(rèn)定擰緊過(guò)程合格。軟件的人機(jī)界面按功能分成多個(gè)界面，由實(shí)體化的圖標(biāo)與按鈕來(lái)組態(tài)，使工人更容易理解與操作。

　　圖4為控制系統(tǒng)主界面。其包括動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)、擰緊機(jī)控制區(qū)、五軸伺服操作區(qū)、各限位開(kāi)關(guān)指示燈及其他界面的按鈕。動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手的位置及作業(yè)情況，有利于操作人員直觀地了解機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)。擰緊機(jī)控制區(qū)域顯示擰緊機(jī)的運(yùn)行狀況，可以對(duì)單軸進(jìn)行電動(dòng)操作。對(duì)于伺服電機(jī)可通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕的方式進(jìn)行伺服電機(jī)的尋零操作、速度設(shè)置等。

圖4 控制系統(tǒng)主界面

　　另外，通過(guò)其他指引按鈕可以顯示其他界面，可以進(jìn)行擰緊軸的參數(shù)設(shè)置、查看擰緊完成后的擰緊力矩－角度曲線、過(guò)程記錄查詢(xún)、報(bào)警記錄查詢(xún)和過(guò)程參數(shù)設(shè)置等。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本文以“PLC＋定位控制模塊”為核心附以上位機(jī)監(jiān)控軟件搭建了自動(dòng)取封蓋機(jī)械手控制硬件平臺(tái)，研究了軌跡規(guī)劃、參數(shù)傳遞、軟件編程等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。該系統(tǒng)可靠性高、組態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)單，信息處理速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)控制的要求，且不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可使得機(jī)械手的操作變得直觀容易。