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摘要：本文主要介绍了并联机械手在零件检测和分拣工作中的应用，以便于为企业节约人力成本、提高工作效率，满足工业自动化的要求。该装置主要采用PLC控制方式实现机械手的动作要求。
关键词：并联机械手 PLC
在电子、轻工、食品和医药等行业中，通常需要采用机械手来完成物料的高速拾放操作。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。与串联构型相比，有重负荷比小等优点，特别并联机械手因采用闭链结构，具有刚度大、精度高、承载能力强等特点，非常适合于高速操作。现结合视觉传感器和西门子PLC控制2自由度并联机械手来实现零件的检测和分拣工作，以实现检测和分拣工作的高速自动化。
1 零件检测
机器视觉系统的输入装置可以是摄像机、转鼓等，它们都把三维的影像作为输入源，即输入计算机的就是三维感观世界的二维投影。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。
①先设定零件检测条件。检测零件外观是否正常，长度为29.00mm～30.00mm，检测精度±0.015mm。宽度为14.00mm～15.00mm，检测精度±0.015mm。②再设定输出信号。若检测到不符合要求的零件，由视觉传感器产生一个控制信号给控制机械手运动的PLC控制单元，使其对机械手发出一个抓取指令，从而完成一次分拣。③检测精度控制。为了取得良好的检测效果，我们决定采用130万像素的高精度视觉产品并配合高稳定度平行背光源来完成检测任务。将相机垂直安装在检测面的上方，背光源垂直于检测面下方，并使相机、被测物的检测面、光源保持在同一轴面，这样就可以利用直径检测工具精确的测量出弹带部和定心部的直径。④检测过程。当锂电池到达检测工位时，机械部分给传感器一个触发拍照信号，然后视觉系统按预先的设定，将标准图形与此次拍照得到的图形作对比，系统自动调整和平移坐标，调整到正确的检测位置得到图形检测标准位置，再按照预先的设置计算需要检测的目标数据，最后将结果输出给PLC控制器。整个检测周期不超过200毫秒。
2 机械手结构
采用具有两平动自由度的高速并联机械手机构。该高速机械手由两条主动支链、两条被动支链、一个动平台和一个静平台组成。两条被动支链的输出杆以不同的角度与动平台固联，使两条被动支链不会同时处于奇异形位，从而可靠地约束动平台的转动。采用两条被动支链还可提高机械手在与其工作平面垂直方向的刚度。每条主动支链含有一条主动臂和一条从动臂。主动臂与静平台相联的转动副作为机械手的主动输入关节，以实现机构在其工作平面内的高速运动。该并联机械手具有两个平动自由度。当该机械手用于拾放操作时，一般要求安装在动平台上的夹持器在一个宽度较大、高度中等的矩形区域内运动。因此，在机构的可达工作空间中选取一个宽为b、高为h、与静平台相距H的矩形区域，作为机械手的任务工作空间。需要指出的是，矩形任务空间不一定能选取为机构可达工作空间的最大内切空间，因为最大内切空间内可能包括一些操作性能较差的点或区域。
3 电动机的选择
正是需要机械手能够高速、高精度的运动，故而需要它的控制电机具有以下特点。①快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间响应短。响应指令信号的时间越短，电伺服系统的灵敏度越高，快速响应性能越好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。②起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的启动转矩大，转动惯量小。③控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似的成正比。④调速范围宽。能用于1：1000～10000的调速范围。⑤体积小、质量小、轴向尺寸短。⑥能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当于100KG）以下的工业机器人大多采用电伺服系统。所采用的关节驱动电动机只要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1-10kW。
直流电动机具有良好的控制性能、较大的启动转矩，还具有相对功率大和相应速度快等优点，但是由于有电刷，结构复杂，成本较高，易产生火花，而且较大的启动转矩不适合机械手的迅速启动，还会加大机械手的功耗，所以，直流电动机不符合要求。
永磁同步电机是随着电子技术的发展而出现的一种较新型的电动机。他以电子换向器取代了传统直流电机的电刷换向，因此，又成为无刷电动机。他既保持了直流电动机的优点，又避免了直流电动机因电刷而引起的缺陷。这种电动机调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性线性度好、寿命长、维护方便、可靠性高、噪声较小、不存在换向火花、不会产生对无线电信号的干扰，可用于直流电动机不能应用的易燃易爆场合；但其控制结构复杂，成本较高，目前低速时转速均匀性较差，有可能会造成低俗转动时的失步，所以，永磁同步电动机也不符合2自由度并联机械手对电动机的要求。
交流感应电动机具有结构简单、运行可靠、制造使用维修方便、价格便宜等优点，在工业及家用电器中，作为机械装置的动力，通常被广泛应用于开环恒速的场合。但是其启动电流偏大，过载能力、效率和功率等因素均较低，噪声也较大，所以最佳选用电动机。
步进电动机又称脉冲电动机。他采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的输出轴转动一步，因此，当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等增量的转角响应该输入序列，输出步数等于输入脉冲个数，转速与输入脉冲频率成正比。而且步进电动机的转动惯量小，能迅速提供较大的转矩，能够迅速换向，调速范围较宽。
综上所述，2自由度并联机械手选用步进电动机作为伺服电动机，选择步矩角较小的，以满足机械手的精确控制，同时要有足够高的电流以便能在瞬间启动、停转。
4 PLC的控制
西门子S7-200PLC具有体积小、速度快、通信能力强、可靠性高、功能全面等优点。他适用于各行各业，各种场合中的自动检测、检测及控制等。现选用两个西门子S7-200PLC控制两个步进电动机。首先假设一条动平台末端将要行进的轨迹，即从静止位置P0向传送带移动，移动至P1后向下抓取合格的产品后迅速移动到P1，然后水平移动经过P1、P0、P1，放下产品，再回到P0位置的单次过程。用MSC.ADAMS仿真软件进行运动学逆解后得到左右两个步进电动机的运动曲线图。对比曲线，将其分别拟合成三次样条函数并作镜像处理，即作为左右步进电动机的单次行程的运动轨迹函数，将其分别输入至左右两边的PLC内。另外，还可以结合触摸屏来进行控制或者显示产品的不合格率等，让操作更方便，结果更直观。
参考文献：
[1]高洪，赵韩.并联机器人机构学理论研究综述[J].安徽工程科技学院学报（自然科学版），2006（01）.
[2]赵铁石.空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[J].燕山大学机械工程学院，2000.
[3]熊有伦.机器人技术基础[M].华中理工大学出版社，1996.
[4]丁学明.一种空间三自由度平动并联机床研究[D].南京航空航天大学，2002.
关键词：并联机械手 PLC
在电子、轻工、食品和医药等行业中，通常需要采用机械手来完成物料的高速拾放操作。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。与串联构型相比，有重负荷比小等优点，特别并联机械手因采用闭链结构，具有刚度大、精度高、承载能力强等特点，非常适合于高速操作。现结合视觉传感器和西门子PLC控制2自由度并联机械手来实现零件的检测和分拣工作，以实现检测和分拣工作的高速自动化。
1 零件检测
机器视觉系统的输入装置可以是摄像机、转鼓等，它们都把三维的影像作为输入源，即输入计算机的就是三维感观世界的二维投影。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。
①先设定零件检测条件。检测零件外观是否正常，长度为29.00mm～30.00mm，检测精度±0.015mm。宽度为14.00mm～15.00mm，检测精度±0.015mm。②再设定输出信号。若检测到不符合要求的零件，由视觉传感器产生一个控制信号给控制机械手运动的PLC控制单元，使其对机械手发出一个抓取指令，从而完成一次分拣。③检测精度控制。为了取得良好的检测效果，我们决定采用130万像素的高精度视觉产品并配合高稳定度平行背光源来完成检测任务。将相机垂直安装在检测面的上方，背光源垂直于检测面下方，并使相机、被测物的检测面、光源保持在同一轴面，这样就可以利用直径检测工具精确的测量出弹带部和定心部的直径。④检测过程。当锂电池到达检测工位时，机械部分给传感器一个触发拍照信号，然后视觉系统按预先的设定，将标准图形与此次拍照得到的图形作对比，系统自动调整和平移坐标，调整到正确的检测位置得到图形检测标准位置，再按照预先的设置计算需要检测的目标数据，最后将结果输出给PLC控制器。整个检测周期不超过200毫秒。
2 机械手结构
采用具有两平动自由度的高速并联机械手机构。该高速机械手由两条主动支链、两条被动支链、一个动平台和一个静平台组成。两条被动支链的输出杆以不同的角度与动平台固联，使两条被动支链不会同时处于奇异形位，从而可靠地约束动平台的转动。采用两条被动支链还可提高机械手在与其工作平面垂直方向的刚度。每条主动支链含有一条主动臂和一条从动臂。主动臂与静平台相联的转动副作为机械手的主动输入关节，以实现机构在其工作平面内的高速运动。该并联机械手具有两个平动自由度。当该机械手用于拾放操作时，一般要求安装在动平台上的夹持器在一个宽度较大、高度中等的矩形区域内运动。因此，在机构的可达工作空间中选取一个宽为b、高为h、与静平台相距H的矩形区域，作为机械手的任务工作空间。需要指出的是，矩形任务空间不一定能选取为机构可达工作空间的最大内切空间，因为最大内切空间内可能包括一些操作性能较差的点或区域。
3 电动机的选择
正是需要机械手能够高速、高精度的运动，故而需要它的控制电机具有以下特点。①快速性。电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间响应短。响应指令信号的时间越短，电伺服系统的灵敏度越高，快速响应性能越好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。②起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的启动转矩大，转动惯量小。③控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似的成正比。④调速范围宽。能用于1：1000～10000的调速范围。⑤体积小、质量小、轴向尺寸短。⑥能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
目前，由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载1000N（相当于100KG）以下的工业机器人大多采用电伺服系统。所采用的关节驱动电动机只要是AC伺服电动机，步进电动机和DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛的应用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为0.1-10kW。
直流电动机具有良好的控制性能、较大的启动转矩，还具有相对功率大和相应速度快等优点，但是由于有电刷，结构复杂，成本较高，易产生火花，而且较大的启动转矩不适合机械手的迅速启动，还会加大机械手的功耗，所以，直流电动机不符合要求。
永磁同步电机是随着电子技术的发展而出现的一种较新型的电动机。他以电子换向器取代了传统直流电机的电刷换向，因此，又成为无刷电动机。他既保持了直流电动机的优点，又避免了直流电动机因电刷而引起的缺陷。这种电动机调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性线性度好、寿命长、维护方便、可靠性高、噪声较小、不存在换向火花、不会产生对无线电信号的干扰，可用于直流电动机不能应用的易燃易爆场合；但其控制结构复杂，成本较高，目前低速时转速均匀性较差，有可能会造成低俗转动时的失步，所以，永磁同步电动机也不符合2自由度并联机械手对电动机的要求。
交流感应电动机具有结构简单、运行可靠、制造使用维修方便、价格便宜等优点，在工业及家用电器中，作为机械装置的动力，通常被广泛应用于开环恒速的场合。但是其启动电流偏大，过载能力、效率和功率等因素均较低，噪声也较大，所以最佳选用电动机。
步进电动机又称脉冲电动机。他采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的输出轴转动一步，因此，当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等增量的转角响应该输入序列，输出步数等于输入脉冲个数，转速与输入脉冲频率成正比。而且步进电动机的转动惯量小，能迅速提供较大的转矩，能够迅速换向，调速范围较宽。
综上所述，2自由度并联机械手选用步进电动机作为伺服电动机，选择步矩角较小的，以满足机械手的精确控制，同时要有足够高的电流以便能在瞬间启动、停转。
4 PLC的控制
西门子S7-200PLC具有体积小、速度快、通信能力强、可靠性高、功能全面等优点。他适用于各行各业，各种场合中的自动检测、检测及控制等。现选用两个西门子S7-200PLC控制两个步进电动机。首先假设一条动平台末端将要行进的轨迹，即从静止位置P0向传送带移动，移动至P1后向下抓取合格的产品后迅速移动到P1，然后水平移动经过P1、P0、P1，放下产品，再回到P0位置的单次过程。用MSC.ADAMS仿真软件进行运动学逆解后得到左右两个步进电动机的运动曲线图。对比曲线，将其分别拟合成三次样条函数并作镜像处理，即作为左右步进电动机的单次行程的运动轨迹函数，将其分别输入至左右两边的PLC内。另外，还可以结合触摸屏来进行控制或者显示产品的不合格率等，让操作更方便，结果更直观。
参考文献：
[1]高洪，赵韩.并联机器人机构学理论研究综述[J].安徽工程科技学院学报（自然科学版），2006（01）.
[2]赵铁石.空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[J].燕山大学机械工程学院，2000.
[3]熊有伦.机器人技术基础[M].华中理工大学出版社，1996.
[4]丁学明.一种空间三自由度平动并联机床研究[D].南京航空航天大学，2002.