基于Sysmac的Delta机械手自动控制系统设计

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介绍了一种基于Sysmac的Delta机械手自动控制系统，以欧姆龙NJ501-1500为控制核心，通过EtherNet/IP与PC机和人机界面连接，通过EtherCAT与伺服驱动器控制器连接，在Sysmac Studio环境中进行软件编程、仿真，实现2轴机械手的并联控制。
关键词 Sysmac；并联机械手；伺服驱动
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）147-0145-01
随着机械手技术的不断发展，Delta并联机械手具有运动惯性小、结构紧凑稳定、运行速度快、精度高等优点，广泛应用于医学、食品加工、包装、物流等行业[1]。本文选用的两自由度并联机械手，可以广泛应用于包装行业。
1 机械手控制要求
本系统的并联两自由度机械手由两个伺服电机安装在静基座上，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，机械结构如图1所示。
在机械手允许的范围内，输入目标点坐标，机械手可以运动到指定位置并实现连续往复运动。也可使用点动功能实现上下左右分步运动。当机械手运行超过设置的最大活动范围的时候，机械手不动作，并启动报警
程序。
系统运行时，按下启动按钮后，如果检测到I点有物体A，机械手启动将I点物体搬运到II点，搬运完后，机械手回到初始位置，如果检测到有物体B，将I点物体搬运到III点，机械手再回到初始位置，重复此循环动作。机械手运动的某些参数可以灵活设置，I、II、III三点坐标可以在人机界面程序中任意设置。
2 机械手的控制系统设计
欧姆龙NJ控制器是Sysmac自动化平台的核心控制器，产品集成了EtherCAT技术的开放式网络控制器及EtherNET/IP网络的开放式网络信息和通信技术并建立了统一的自动化软件平台Sysmac Studio[2]。
本控制系统选用NJ501-1500为控制核心，PC机和人机界面通过EtherNet/IP与控制器连接，可以实现系统的配置、程序编写、在线仿真和上位机监控；2个伺服驱动器R88D-KN01H-ECT通过EtherCAT与控制器连接，实现2轴伺服电动机的精确定位控制[3]。电气控制原理图，如图2所示。
3 机械手的软件设计
机械手数学模型求解如图3所示，运动控制编程在Sysmac Studio环境中完成。
1）机械手运动过程正解。
根据已知θ1、θ2；Lt、Lb；L1、L2，计算出⊙1、⊙2的圆方程，再平移这2个圆直到交于平动盘的中心点，得出新的方程式。联立这两个方程，计算出（X，Y），程序里根据解的算式编写算法。这样就可以由电机角度得出坐标位置了。添加正解功能块如图4所示。
正解功能块采用分步计算的原理，整合各功能在一个功能块中，包括：（1）根据角度θ1、θ2算出圆心坐标；（2）根据两圆心坐标直接得出平台中心坐标（X，Y）。
2）机械手运动过程反解。
已知机器人的平动盘中心点坐标位置，反过来推算每根轴的旋转角度机械结构尺寸。根据已知Lt、Lb、L1、L2、（X，Y），我们通过列举方程式求解得出θ1、θ2。最后在程序里建立相应的变量，编写相应梯形图或者ST语言程序实现这个反解算式。这样，对相应变量输入预计坐标后，就能实时得到电机应该旋转的角度了。反解算法功能块如图5所示。
反解功能块采用分步计算的原理，整合各功能在一个功能块中，包括：（1）根据两点坐标算出两点距离；（2）通过构建三角形的数学方法在多个三角形中依次解出角度θ1、θ2。
正反解算法灵活运用Sysmac Studio环境中的ST语言和LD语言编写，分步式的编程思路逻辑性强，能够为后期程序调试以及修改提供极大便利。
4 结论
本文以欧姆龙NJ501-1500PLC为控制器核心，深入研究了在Sysmac Studio环境中实现Delta并联机械手运动控制的算法以及编程、调试，并使用NS系列触摸式可编程终端进行上位机监控。
参考文献
[1]刘彦伯.一种Delta型并联机器人的机构设计与分析[J].科技信息，2011（21）.
[2]王月芹.基于欧姆龙NJ控制器机械手控制系统设计[J].机电产品开发与创新，2013（3）.
[3]徐世许.机器自动化控制器原理与应用[Z].机械工业出版社，2013.