機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 迪 李小斌 汪 斌

（寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

機(jī)械手是一種在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化設(shè)備，它是一種在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的新型設(shè)備。機(jī)械手可以代替員工進(jìn)行一些危險(xiǎn)、枯燥的工作，在緩解工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高生產(chǎn)效率[1]。隨著其控制技術(shù)的成熟及成本的降低，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普及，這也促使各大高校在機(jī)器手的研究和教學(xué)方面越來越重視。這里給出一種基于西門子S7-1500 型PLC 的簡易低成本教學(xué)機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該方案不僅可以使學(xué)生了解機(jī)械手的工作過程，也可以作為學(xué)生機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

1 機(jī)械手的組成結(jié)構(gòu)及控制過程

如圖1 所示，機(jī)械手主要由底座、立柱、伸縮臂、升降臂和手抓組成。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，起支撐和連接的作用[2]。其任務(wù)是將物料從A 傳送帶上的搬運(yùn)到B 傳送帶的上。

具體工作過程如下：上電時(shí)，所有氣缸恢復(fù)起始位置，手部夾持氣缸處于松開狀態(tài)，手臂處于縮回狀態(tài)，升降氣缸處于縮回狀態(tài)。當(dāng)A 傳送帶上的物料到達(dá)時(shí)，傳感器檢測(cè)到物料信號(hào)并控制傳送帶A 暫停，同時(shí)伸縮臂氣缸下降，手抓氣缸加緊物料，然后伸縮臂氣缸上升，A 傳送帶工作，手臂氣缸伸出，升降氣缸再下降，將物料放置到B 傳送帶，然后夾持氣缸松開物料，所有氣缸復(fù)位，完成一次物料搬運(yùn)。然后，當(dāng)A 傳送帶上再次送來物料時(shí)，系統(tǒng)重復(fù)完成上述動(dòng)作，從而時(shí)限將傳送帶A 上的物料全部搬運(yùn)到傳送帶B 上。這里機(jī)械手控制方式有手動(dòng)控制模式和自動(dòng)循環(huán)控制模式可供選擇。

圖1 機(jī)械手動(dòng)作過程

圖2 控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

機(jī)械手的所有動(dòng)作采用氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4～0.6MPa）產(chǎn)生氣源，通過快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，然后經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)件（干燥器、調(diào)壓閥、油霧器）將分水過濾后進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。系統(tǒng)涉及到的元器件有氣源空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)三聯(lián)件、二位五通電磁閥、節(jié)流閥、氣缸等等。

2.2 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的控制系統(tǒng)如圖2 所示?？刂破鬟x用西門子S7-1500 型PLC，接收各個(gè)傳感器及控制按鈕的輸入信號(hào)，同時(shí)將其處理后，發(fā)出相應(yīng)輸出信號(hào)控制各個(gè)電磁閥工作，以控制相應(yīng)氣缸動(dòng)作。觸摸屏也可代替控制按鈕實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。計(jì)算機(jī)主要用于PLC 程序開發(fā)和系統(tǒng)在線調(diào)試。

（1）機(jī)械手PLC 的I/O 分配。系統(tǒng)I/O 分配使系統(tǒng)每一個(gè)動(dòng)作都可以采用按鈕手動(dòng)操作，自動(dòng)、手動(dòng)模式切換采用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，伸縮氣缸和升降氣缸分別設(shè)有限位保護(hù)SQ1～SQ4，工件到位采用光電傳感器G 檢測(cè)。伸縮氣缸、下降氣缸以及手抓氣缸分別采用電磁閥YA1、YA2、YA3 控制。上電及運(yùn)行狀態(tài)均有指示燈指示。（2）系統(tǒng)PLC 外部接線圖。機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC 外部電氣接線采用西門子S7-1500 型PLC, 主要由電源模塊、CPU模塊、輸出模塊、輸入模塊組成，電源通過背部總線給各模塊供電，同時(shí)各模塊通過背部框架總線進(jìn)行相互通信。PLC 電源為24V 直流電，電磁閥、指示燈均為直流24V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

西門子S7-1500 系列PLC 使用的編程軟件是TIA Portal 軟件，它是完全集成的自動(dòng)化軟件，是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的全新集成自動(dòng)化軟件。它是業(yè)界首款具有統(tǒng)一工程和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件，適用于幾乎所有自動(dòng)化任務(wù)，本文所采用的是TIA 博途V14。

機(jī)械手控制系統(tǒng)上電后處于待機(jī)狀態(tài)（同時(shí)上電指示燈亮）；按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)運(yùn)行指示燈亮；此時(shí)可以選擇手動(dòng)運(yùn)行模式或自動(dòng)運(yùn)行模式。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA 打在手動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，則自動(dòng)模式關(guān)閉，只能進(jìn)行手動(dòng)操作，通過每一個(gè)控制按鈕或觸摸屏按鈕操作機(jī)械手的每個(gè)動(dòng)作。當(dāng)選擇自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，工件檢測(cè)傳感器檢測(cè)到工件到來時(shí)，A 傳送帶暫停，機(jī)械手臂下降，手臂下降到位后，手抓執(zhí)行夾緊動(dòng)作，2S 后手臂上升。手臂上升到位后伸出，伸出到位后手臂下降，下降到位后手抓執(zhí)行松開動(dòng)作，將工件放到B 傳送帶上，2S 后手臂上升，上升到位后手臂縮回復(fù)位，等待下一個(gè)工件到來。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面（HMI）選用的觸摸屏為北京昆侖通態(tài)觸摸屏（MCGS），型號(hào)是TPC7062Ti。其設(shè)計(jì)過程如下。

（1） 建立工程。建立新工程，選擇觸摸屏的型號(hào)為TPC7062Ti，調(diào)節(jié)背景色等。（2）設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置。從工作臺(tái)窗口進(jìn)入設(shè)備窗口進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，點(diǎn)擊設(shè)備管理，選擇通訊屬性。本文選擇通用TCP/IP 父設(shè)備；其次選擇對(duì)應(yīng)的控制設(shè)備本文選擇設(shè)備Siemens_1500，設(shè)備組態(tài)完成后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫建立。根據(jù)組態(tài)的需要，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，單擊新增對(duì)象，設(shè)置對(duì)象的名稱及數(shù)據(jù)類型。（4）機(jī)械手組態(tài)畫面設(shè)計(jì)。在工作臺(tái)窗口選擇用戶窗口，新建立窗口，并命名為“機(jī)械手控制系統(tǒng)”。打開“機(jī)械手控制系統(tǒng)”窗口，進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置顯示、監(jiān)控、控制的據(jù)圖參數(shù)。（5）觸摸屏和PLC 通信設(shè)置。西門子S7-1500 PLC 和MCGS 觸摸屏實(shí)現(xiàn)通信，需對(duì)PLC 的IP地址進(jìn)行設(shè)置，PLC 的IP 地址應(yīng)和觸摸屏、計(jì)算機(jī)的IP 地址處于同一子網(wǎng)內(nèi)，即PLC 的IP 地址為192.168.1.153。PLC 的連接機(jī)制應(yīng)選擇允許來自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET 通信訪問。

3.3 運(yùn)行效果

觸摸屏不僅可以監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)行，還可以對(duì)其進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)通電后，在觸摸屏的監(jiān)視畫面上，電源指示燈亮。按下啟動(dòng)按鈕后，運(yùn)行指示燈亮。選擇運(yùn)行模式，進(jìn)行操作。當(dāng)切換開關(guān)打到垂直位置時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在自動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將傳送帶上的物料不停搬運(yùn)到傳送帶B 上；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在手動(dòng)模式時(shí)，按下手動(dòng)操作模塊的各個(gè)按鈕，可完成相應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作。該模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行，還可用于各個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)檢查。

4 結(jié)論

本文給出了簡易機(jī)械手系統(tǒng)的完整實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)包括了氣動(dòng)系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)以及觸摸屏的具體設(shè)計(jì)方法，將其引入到自動(dòng)化、控制類專業(yè)教學(xué)中，作為工程案例教學(xué)或綜合項(xiàng)目教學(xué)，可以達(dá)到專業(yè)綜合訓(xùn)練的目的，同時(shí)可減少設(shè)備投資，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。