1 自動取、封蓋機械手結構

　　本文對實現圓柱型桶的桶蓋取蓋或封蓋的機械手控制技術進行研究。桶的高度約1.5M，用來裝放射性廢料或有毒化學品，蓋與桶靠10個螺栓進行固定連接。對此類桶操作的自動取、封蓋機械手（見圖1）具有5個自由度：水平移動、升降運動、進行精確定位的X－Y平臺的X方向移動和Y方向移動以及該平臺末端的旋轉運動。機械手的末端帶有10套擰緊機及桶蓋的抓緊裝置。水平及升降機構通過水平運動及升降運動使X－Y平臺移動到預定位置，再通過X－Y平臺的X方向和Y方向的微小移動以及末端的旋轉運動使擰緊機的套筒軸線對準螺栓中軸，然后下降至作業位置進行桶蓋的夾緊及螺栓的擰緊或擰松操作。

1－水平移動伺服電機；2－升降運動伺服電機；3－可以進行X，Y方向移動的X－Y平臺；4－旋轉末端；5－用螺栓連接的桶及桶蓋；6－輸送輥道
圖1　自動取、封蓋機械手結構

　　機械手控制系統應具有自動取、封蓋和手動操作，及對自動取、封蓋過程監控和數據采集、記錄等功能，同時具有可靠性高、易操作、易維護、易升級改造等特點。由于系統要求操作柜與機械手本體隔離，機械手控制涉及到5個自由度的伺服運動控制和10個擰緊軸程序控制，且控制單元選自多個廠家，控制信號數量和種類繁多，因此搭建基于PLC的控制系統是關鍵技術。2 控制系統硬件平臺

　　圖2為控制系統硬件平臺結構框圖。系統采用雙PLC控制，PLC1裝在操作柜內，PLC2裝在電氣柜內。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點數字輸入模塊、16點數字輸出模塊、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，模塊間通過基板內部總線連接。數字輸入模塊連接操作臺面各按鈕、旋鈕開關，數字輸出模塊連接操作臺指示燈、喇叭等。通訊模塊上的RS232通道與上位機通訊，RS485通道與10臺擰緊機通過ModbUS協議通訊可大大減少設備之間連線。其中，PLC1通訊模塊為主站，10臺擰緊機各為1個從站。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點數字輸入模塊、CC＿Link模塊、4軸定位模塊、2軸定位模塊各1塊、16點數字輸出模塊2塊，負責自動取封蓋運動控制、過程控制和邏輯控制。數字輸入模塊連接各伺服放大器、變頻器狀態輸出點和限位開關等，數字輸出模塊連接各伺服放大器、變頻器控制輸入接點。

圖2 控制系統硬件平臺結構框圖

　　4軸定位模塊控制X－Y旋轉電機驅動器，為了與選購的驅動器相匹配，采用差動脈沖輸出定位模塊。2軸定位模塊以SSCＮＥＴ高速通訊方式控制提升、平移伺服電機驅動器，便于對運動參數進行監控，同時可減少系統連線。兩個PLC間通過CC＿Link通訊進行數據交換，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HC－SFS152，并配備三菱MR－Ｊ2S－200Ｂ型三相220V供電的伺服放大器。

3 機械手運動軌跡及數據通訊

　　3.1 運動軌跡

　　機械手主要進行平面內的運動作業，如圖3所示。對于每個循環操作，機械手末端都要經過左移、下降、X方向微動、Y方向微動、旋轉、取蓋或者封蓋、上升、右移的運動過程。因此，機械手的運動為連續軌跡運動，需要在工作空間內做插補計算，并保證運動達到一定的軌跡精度。要求水平運動和上下運動的過程為靜止、加速、減速、靜止，即要求平臺在軌跡起點和終點的加速度和速度為零，以此來減小過程沖擊和殘余振動。

圖3 機械手軌跡圖

　　3.2 數據通訊

　　在所設計的控制系統中，軌跡規劃計算在CPU單元進行，計算結果通過數據總線提供給運動控制模塊，位置控制模塊在插補點間采用PVT插補控制2個伺服電機聯動。CPU與位控模塊間的運動數據通訊可采用以下3種方式：

　　①逐點傳遞，CPU單元每完成一插補點計算，即將數據傳遞給位控模塊，與此同時，位控模塊控制機械手完成前兩個插補點間的運動，即軌跡規劃與運動控制同時進行，該方式適用于位置不斷變化的場合；

　　②批量傳遞，CPU單元預先連續對機械手整條運動路徑的各插補點進行計算，并一次性將數據傳遞給位控模塊，同時，位控模塊控制機械手進行前一條軌跡運動，批量數據的傳遞可以在作業間隙進行，對運動控制周期影響小，但需要預知機械手的運動軌跡；

　　③查表法，將機械手可能的運動軌跡的所有插補點運動信息預先計算并傳遞給位控模塊中儲存，運動過程中根據位置信息查表取得各插補點關節變量，該方式在運動過程中單元間數據傳遞量小、響應快，尤其適用于軌跡數量有限的場合。

　　基于上述分析，本系統中運動軌跡數量有限，兩軸定位模塊主要針對水平移動和上下移動兩個方向，機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。位控模塊根據編號查表取得各插補點關節位置和速度信息控制機械手運動。對于外購的XY平臺，由于每次的位移量不一致，并且需要精確計算，利用四軸運動控制模塊的逐點傳遞法進行控制。

4 軟件設計

　　4.1 PLC程序設計

　　系統主要由初始化功能、自動操作功能、手動操作功能、數據通訊功能、軌跡規劃功能等程序模塊構成。PLC　CPU采用循環掃描機制工作，在每個掃描周期都要完成自檢、Ｉ／Ｏ更新、數據通訊等操作。為了保證系統對機械手的實時監控，需要合理設計軟件結構、減小掃描周期。本程序采用結構化設計準則，將具有獨立功能的程序段編制成一個模塊，采用分層嵌套形式。這樣在一個掃描周期根據功能需要調用相應功能模塊，就可以大大減小掃描周期，提高程序執行速度，便于理解和調試。

　　4.2 上位機監控軟件

　　上位機監控軟件是采用NI公司的Labview進行開發的人機界面，通過與PLC通訊模塊的通訊來完成過程數據的監控、記錄查詢、報警信息查詢、參數設置。上位機程序同樣采用模塊化編程，軟件包括3大部分：初始化模塊、過程模塊和通訊模塊。過程模塊中又包含動畫模塊、擰緊過程監視曲線模塊等等。對擰緊過程采用扭矩－角度及扭矩－時間曲線圖進行監視，在規定的旋轉角度和時間內扭矩值在設定的范圍內即認定擰緊過程合格。軟件的人機界面按功能分成多個界面，由實體化的圖標與按鈕來組態，使工人更容易理解與操作。

　　圖4為控制系統主界面。其包括動畫顯示區、擰緊機控制區、五軸伺服操作區、各限位開關指示燈及其他界面的按鈕。動畫顯示區實時顯示機械手的位置及作業情況，有利于操作人員直觀地了解機械手的運行狀態。擰緊機控制區域顯示擰緊機的運行狀況，可以對單軸進行電動操作。對于伺服電機可通過點擊相應按鈕的方式進行伺服電機的尋零操作、速度設置等。

圖4 控制系統主界面

　　另外，通過其他指引按鈕可以顯示其他界面，可以進行擰緊軸的參數設置、查看擰緊完成后的擰緊力矩－角度曲線、過程記錄查詢、報警記錄查詢和過程參數設置等。

5 結語

　　本文以“PLC＋定位控制模塊”為核心附以上位機監控軟件搭建了自動取封蓋機械手控制硬件平臺，研究了軌跡規劃、參數傳遞、軟件編程等關鍵技術，實現了機械手的運動控制。該系統可靠性高、組態過程簡單，信息處理速度快，能夠滿足實時控制的要求，且不僅可以實時監測，還可使得機械手的操作變得直觀容易。