基于PLC與觸摸屏的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 嵐， 程永強(qiáng)， 陳育明

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 泉州 362000)

在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，如食品與包裝[1]、電子裝配[2]和機(jī)械制造[3]的自動(dòng)生產(chǎn)線需要執(zhí)行中小工件或物料的搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)。絕大多數(shù)企業(yè)目前仍采用人工操作，工作內(nèi)容的枯燥、繁瑣導(dǎo)致了生產(chǎn)效率低下。利用PLC編寫特定程序控制機(jī)械手，替代人工來自動(dòng)完成規(guī)定的搬運(yùn)作業(yè)，不僅能減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，而且能夠在高溫、輻射、污染等惡劣環(huán)境下完成操作，減少安全隱患，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[4-5]，這已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)。

作為研究對(duì)象的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣直接影響機(jī)械手的操作精度和響應(yīng)速度。所選用的PLC控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、能在惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)線中[6-7]。本設(shè)計(jì)面向小型工件或物料，故選擇具有高效、快速、節(jié)能和易控制等特點(diǎn)的氣壓傳動(dòng)方式。通過研究，試圖完成工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過觸摸屏監(jiān)控搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程。

1 搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及其氣動(dòng)系統(tǒng)

圖1所示的搬運(yùn)機(jī)械手為五自由度機(jī)械手，主要由底座、立柱、手臂、小臂、手腕、手指及輔助裝置構(gòu)成。該機(jī)械手可完成升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)以及夾放等動(dòng)作，所有動(dòng)作都依靠氣壓驅(qū)動(dòng)。其氣動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)械手的功能是將位置A的工件搬運(yùn)到位置B。上電后，當(dāng)檢測(cè)到工件到位時(shí)，機(jī)械手執(zhí)行如下工作流程：機(jī)械手小臂伸出→手指張開并夾緊工件→1 s后立柱上升→上升到位后，小臂縮回→縮回到位后，手腕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°→旋轉(zhuǎn)到位后，手臂右旋90°→右旋到位后，小臂伸出→伸出到位后，手指張開，松開工件后再夾緊→1 s后小臂縮回→縮回到位后，立柱下降→下降到位后，手腕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°→旋轉(zhuǎn)到位后，手臂左轉(zhuǎn)90°，轉(zhuǎn)到位后停止。搬運(yùn)機(jī)械手一個(gè)周期的動(dòng)作包含了以上12個(gè)步驟。

為防止中途突然斷電而導(dǎo)致工件從手指間掉落，選用二位五通雙電控電磁閥控制對(duì)應(yīng)氣缸，實(shí)現(xiàn)手指夾緊和張開動(dòng)作；立柱升降、小臂伸縮的動(dòng)作因無需在中間位置停留，也選用二位五通雙電控電磁閥控制對(duì)應(yīng)氣缸來實(shí)現(xiàn)；手臂和手腕的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作則選用三位五通雙電控電磁閥控制對(duì)應(yīng)氣馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。最終，機(jī)械手的所有動(dòng)作均由PLC控制5個(gè)電磁閥的通斷來實(shí)現(xiàn)。

圖2 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC控制器、位置檢測(cè)單元以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成(見圖3)。觸摸屏Smart700IE的監(jiān)控界面由WinCC Flexible 軟件組態(tài)[8]。通過以太網(wǎng)通訊方式，觸摸屏可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的現(xiàn)場工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。若現(xiàn)場出現(xiàn)突發(fā)情況或故障等，監(jiān)控人員可通過觸摸屏給PLC控制器發(fā)送急停命令進(jìn)行緊急處理。位置檢測(cè)單元用于檢測(cè)工件、氣馬達(dá)或伸縮氣缸動(dòng)作是否運(yùn)動(dòng)到位。它主要包含光電開關(guān)和接近開關(guān)，其中光電開關(guān)用于檢測(cè)工件是否到位；磁感式接近開關(guān)用于檢測(cè)機(jī)械手的升降、伸縮和手指運(yùn)動(dòng)是否到位；電感式接近開關(guān)則用于檢測(cè)手臂和手腕是否旋轉(zhuǎn)到位。

位置檢測(cè)單元將機(jī)械手的工作狀態(tài)傳輸給PLC控制器，PLC分析處理后，根據(jù)機(jī)械手是否運(yùn)動(dòng)到位向各電磁閥發(fā)出控制信號(hào)，控制相應(yīng)氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手按預(yù)定的程序完成伸縮、旋轉(zhuǎn)、夾放等運(yùn)動(dòng)。

圖3 搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用西門子公司的S7-200 PLC作為核心控制單元，其中CPU226有40個(gè)I/O端子(24個(gè)DI、16個(gè)DO)。系統(tǒng)輸入地址分配如表1所示。系統(tǒng)輸出地址分配如表2所示。

表1 系統(tǒng)輸入地址分配表

表2 系統(tǒng)輸出地址分配表

2.2 軟件設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件利用S7-200 PLC進(jìn)行編程[9-10]。可將搬運(yùn)機(jī)械手的工作模式設(shè)為手動(dòng)操作、自動(dòng)單周期操作和自動(dòng)循環(huán)操作3種。其中，手動(dòng)操作模式是指依次按下各動(dòng)作按鈕進(jìn)行分步操作；自動(dòng)單周期操作是指系統(tǒng)按規(guī)定路線自行完成一個(gè)周期動(dòng)作，回到初始點(diǎn)后停止；自動(dòng)循環(huán)操作則是系統(tǒng)按規(guī)定路線自動(dòng)進(jìn)行周期性循環(huán)運(yùn)動(dòng)。這里以自動(dòng)循環(huán)模式為例，用戶在觸摸屏上按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)初始化，各傳感器自檢，各伸縮缸處于縮回狀態(tài)，機(jī)械手處于原點(diǎn)位置。選擇“自動(dòng)循環(huán)”模式，系統(tǒng)按既定路線運(yùn)行的主程序流程如圖4所示。

本系統(tǒng)可用于機(jī)械制造、電子、輕工等自動(dòng)生產(chǎn)線上小型零部件的搬運(yùn)與裝配，數(shù)控加工中心中車床的取刀換刀，加工材料的上下料或碼垛、堆垛等普通場合，也可用于高溫、輻射或污染嚴(yán)重等惡劣場合的材料裝卸。根據(jù)用戶需要修改機(jī)械手的控制程序，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)路線的變更，以完成不同場合的作業(yè)任務(wù)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)既考慮提高搬運(yùn)的速度和精度，保障人身安全，也注重充分體現(xiàn)系統(tǒng)的智能性和靈活性。

3 搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控界面

搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)選用的西門子公司W(wǎng)inCC Flexible軟件中圖庫和操作對(duì)象豐富，用戶可快速方便地制成各種美觀畫面[11]。將完成組態(tài)的監(jiān)控界面顯示到Smart700IE觸摸屏上，基于以太網(wǎng)通信方式可實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC上、下位機(jī)的通信。搬運(yùn)機(jī)械手上位機(jī)的監(jiān)控界面如圖5所示。

由圖5可看出，用戶以合法身份登錄后方可進(jìn)入監(jiān)控界面；進(jìn)入監(jiān)控界面后，用戶可根據(jù)需要選擇手動(dòng)單步、自動(dòng)單周期或自動(dòng)循環(huán)的操作模式，檢測(cè)并顯示機(jī)械手各關(guān)節(jié)的到位情況，控制機(jī)械手的運(yùn)行；還可根據(jù)需要對(duì)機(jī)械手發(fā)送急停、復(fù)位等命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手全部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的功能。

顯然，圖5所示監(jiān)控界面操作簡單，界面友好，機(jī)械手各關(guān)節(jié)狀態(tài)直觀明確，可顯著提高控制系統(tǒng)操作的智能化和可視化水平。

圖4 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)“自動(dòng)循環(huán)”模式的主程序流程

(a)用戶登錄界面 (b)機(jī)械手監(jiān)控界面圖5 搬運(yùn)機(jī)械手上位機(jī)的監(jiān)控界面

4 結(jié) 語

基于PLC控制的穩(wěn)定性以及觸摸屏的可視化優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于工業(yè)領(lǐng)域的小型五自由度搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以S7-200 PLC為控制單元，可通過修改程序達(dá)到變更作業(yè)路線的目的，靈活便捷；利用WinCC Flexible軟件完成觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)行過程。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)作業(yè)的自動(dòng)化、操作的可視化和控制的高靈活性，而且大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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