基于运动控制卡的冲床辅助机械手探讨

章伟 占兰平

浙江盛达铁塔有限公司 浙江省杭州市 311200

摘要：机械加工经常需要用到冲床，但冲床上下料稍有不慎就会造成严重安全事故，而若采取机械手辅助的方式放置材料，可提高生产加工安全性，降低劳动强度。以下设计一种4旋转副的四自由度冲床辅助机械手，利用D-H求解机械臂运动学正反解算方式，再以MATLAB软件计仿真，描绘工作空间，采取PC配合Clipper运动控制卡构建控制系，以速度、位置双闭环控制，编写PLC程序，确保机械手上下料及其在2工位间稳定移动。

关键词：运动控制卡；冲床；辅助；机械手；设计

一般机械手设有3个及以上轴（可编程），以编程实现材料搬运、使用工具等作业^[1]。机械手主要适用于自动化数控机床及精细化生产加工环节，完成上下料、装配工件。冲床经常需要上下料，采取辅助机械手操作，可避免人为操作失误，也可降低人员劳动强度，增加工作效率^[2]。机械手也可采取单片机^[3]、PLC构建，以PC结合运动控制卡的方式，其开放性突出，可以很好兼容编码器和伺服驱动器，开发成本不高，且以上位机及控制卡编程方式，可实现对复杂算法的运动控制^[4]。为便于零件上下料、在工位之间往返移动，辅助机械手设置四自由度机械臂，以Clopper和工控机构构成开放式控制系统。

1.辅助机械手结构

设置四自由度，由旋转吸盘、小臂和大臂俯仰、腰部旋转构成，机械手可实现自由前伸、抓取以及移动到指定位置，具体结构的如图1所示。

图1 辅助机械手结构示意图

如图所示，辅助机械手分为腕、肘、肩、腰四个旋转关节，底座腰关节水平旋转移动，其他关节转轴相互平行，该机械手结构紧凑、工作空间较大，符合冲床上下料要求。同时，为降低冲床振动对机械手定位影响，将机械手安装在地面位置。

冲床抓取1公斤板件，以H2311电磁铁吸盘吸附抓取，可抓取较多工件，无需气源支持，对工件表面要求不高^[5]。但机械手负载不大，故其工作精度可靠，相关肘、肩、腰等采取伺服电机联接谐波减速度传动。

2.辅助机械手工作空间、运动学反解算法

确定臂长、尺寸等各项参数后，通过各关节转角位置可计算末端吸盘为运动学正解算法，而以末端吸盘位置可以计算各关节转角位置，为反解算法。以D-H方式，通过坐标变换，构建辅助机械手正解方程。

辅助机械手结工作空间如图2所示。

图2 机械手工作空间示意图

该空间是吸盘可运动的空间位置坐标区间，覆盖各个作业关键点，冲床机械手运动回零点为0，900，500，抓取点在400，700,500，工位1抓取点坐标为400，1400，540，工位2的抓取点坐标为-400，1400，540。成品放置在-400，700，540。经过关键点，完成一个循环需要13段路程，在XOY平移，之后沿Z轴上下移动。结合机械手运动正解方程，采用MATLAB软件带入转角关键参数，可以获取吸盘位置，绘制出工作空间，其工作空间可覆盖上述几个关键点，满足设计需求。

求解出关键点运动学反解，便于计算点与点之间移动的运动控制程序编写，在MATLAB中创建一个函数，函数定义中的参数含义包含起始时间、终止时间、开始位置、终止位置及步长。经过13段路径，以0.01s为步长，利用专业函数计算插值，得到吸盘距离各个关键点时候关节转角参数。

3.辅助机械手控制硬件设计

采取PC结合运动控制卡的开放式架构，相比于以PLC为代表的其他控制方式，采取这种运动控制卡，其运算速度突出且可以自编运动控制算法，兼容编码器、伺服电机等，采取模块化的架构方式，也便于设计及维护落实的。Clipper运动控制卡支持四轴运动控制，和计算机连接后，也可实现远距离分布控制，网络以568反线接法，其传输速率在10Mb/s左右。

机械手控制原理为，传动关节码盘反馈编码信号（正交）给Clipper卡，位置闭环构成，可精确控制位置。电动机尾部编码器编码信号传递到伺服电机，速度闭环构成，以此实现双运动控制，减少机械手运送材料时产生过多振动。双闭环控制也实现更精准的运动控制。

4.辅助机械手控制软件设计

机械手的控制软件可设置多个功能模块，分别为（1）初始化程序模块；（2）位置监控程序模块；（3）正反解算法运行模块；（4）运动控制模块；（5）PLC逻辑控制模块；（6）示范和再现程序。

其中，系统初始化完成Clipper变量初始化，设置PLC启停。位置安监控程序采集机械手关节角度数据并上传，计算末端位置状态，并将参数信息反馈到上位机。PLC逻辑控制在后台循环性运行，主要会电机使能、限位、伺服报警等数字信号进行监控，对内部程序执行状况及变量状态进行监控，示范及再现程序则完成示范模式的运动及动作，实现示范时候各运动持续进行。运动控制程序由各个运动控制程序构成，一些复杂的运动通过各个运动控制模块协同配合完成，单个关节角度运动采取相对运动模式控制INC实现，关节执行“＆na”则停止运动，“n”对应四个电机，“a”为停止运动指令。多关节的运动则采取绝对运动ABS，P211-P214变量储存电机到达角度，多关节同时停止使用＆na”命令停止4个电机运动，快速回零系统以绝对坐标的“RAP-ID”快速运动命令控制。

5.结束语

综上所述，冲床机械手以PC配合Clipper运动控制卡的架构设计，可进一步控制开发耗时及成本， 其关机械手关节码盘脉冲信号反馈到Clipper卡后，电动机编码器反馈到伺服电机驱动器处，以此实现速度和位置的双闭环控制，精确定位、精准控制，可稳定传递工件，避免传递运动中产生过多振动。

参考文献

[1]耿青玲.基于运动控制卡和视觉系统的桁架机械手分拣系统的应用[J].机械工程师,2021(02):80-82.

[2]赵春云. 基于PCI运动控制卡的上位机控制系统设计与实现[D].兰州理工大学,2019.

[3]杜雪亮. 基于工业PC运动控制的陶瓷制品全自动取放料机械手的研制[D].天津工业大学,2016.

[4]洪晓燕,王友林,刘坤,张文,徐栋.基于运动控制卡的6-DOF切削机器人控制系统设计[J].制造业自动化,2013,35(07):1-2+9.

[5]庄云良. 基于PCI运动控制卡的五轴板料渐进成形数控系统的研究与开发[D].南京航空航天大学,2012.