基于西門子S7- 1200PLC 上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽，472000）

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，制造業(yè)的企業(yè)需要不斷地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，不斷提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，以逐步適應(yīng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢。制造業(yè)的快速發(fā)展依賴于機(jī)床特別是數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，而要提高整個(gè)制造業(yè)的生產(chǎn)效率，數(shù)控機(jī)床還需要機(jī)器人的配合來完成機(jī)床的自動(dòng)上下料，替代工人在惡劣的工作環(huán)境下高效地完成生產(chǎn)任務(wù)[1]。機(jī)械手是機(jī)器人中的一種，能夠模仿人類的手和軀干的一些高難度動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抓取、移動(dòng)、搬運(yùn)等工作，能夠代替人工進(jìn)行重復(fù)、單調(diào)和高危型的工作。機(jī)床和各類生產(chǎn)設(shè)備的上下料是一種重復(fù)、單調(diào)的周期性工作，以往都是使用人工來完成的，不僅生產(chǎn)效率低下，而且存在工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患多等不利的因素。因此，研究機(jī)床及生產(chǎn)機(jī)械的上下料控制系統(tǒng)代替工人在惡劣的工作環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)重復(fù)、穩(wěn)定和長時(shí)間的工作，并且能夠保證高精度和定位準(zhǔn)確，具有靈活性和可擴(kuò)展性等優(yōu)勢的機(jī)械手具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)踐意義[2]。

1 上下料機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

以某生產(chǎn)線的沖壓工藝為例，進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。沖壓過程一般由多臺沖床構(gòu)成，進(jìn)行不同工藝要求的沖壓操作。沖壓線上每一臺沖床之間都有一個(gè)檢測中轉(zhuǎn)臺，用于檢測加工工藝是否合格。本文設(shè)計(jì)的上下料機(jī)械手主要完成沖床到中轉(zhuǎn)臺再到下一臺沖床的搬運(yùn)工作[3]。

1.1 機(jī)械手動(dòng)作設(shè)計(jì)

沖床A，檢測中轉(zhuǎn)臺和沖床B 三者的中心線直線排列，機(jī)械手與此中心線平行的一條機(jī)械臂為X 軸作水平移動(dòng)，Z 軸與X 軸垂直并在X 軸上做上下移動(dòng)，Z 軸上與X 軸平行懸掛一條軸成天平結(jié)構(gòu)，兩端放置吸盤，能同時(shí)在兩個(gè)地方實(shí)現(xiàn)抓、取動(dòng)作。

如圖1 所示，為取料的工作示意圖。初始位置Z 軸位于X 軸的左端，懸臂兩端的兩個(gè)吸盤位于沖床A 和檢測臺的上方，同時(shí)吸取A 工作臺加工好的工件和檢測臺檢測完畢的工件，隨后，Z 軸上升，X 軸左移，Z 軸下降，將檢測好的工件放置在B工作臺進(jìn)行下一步的工藝加工，同時(shí)將上一步加工好的工件放置在檢測臺待檢測，完成整個(gè)上下料過程，如圖2 放料過程示意圖所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，采用天平式結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)抓放兩個(gè)工件；動(dòng)作簡單，只有X 軸和Z 軸的直線運(yùn)動(dòng)模式；易于控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可用PLC 直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方案成熟，整體系統(tǒng)穩(wěn)定型極高[4]。

圖1 直線運(yùn)動(dòng)吸取工件示意圖

圖2 直線運(yùn)動(dòng)放料過程示意圖

1.2 傳動(dòng)和吸盤設(shè)計(jì)

機(jī)械手X 軸采用同步帶傳送，原因是：同步帶傳送效率高，無打滑現(xiàn)象；維護(hù)保養(yǎng)容易；不易受到干擾，傳輸精度較高。機(jī)械手Z 軸采用滾珠絲杠傳動(dòng)，原因是：精度高，傳輸效率高；噪音低，適用于往返傳動(dòng)[5]。

吸盤采用電磁式吸盤，適用于鐵磁材料的工件。使用時(shí)PLC 通過繼電器控制電磁吸盤，通電后，產(chǎn)生電磁場吸取工件；斷電后，磁場消失，放回工件[6]。

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件組成包括PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)+步進(jìn)電機(jī)、繼電器、電磁吸盤、光電限位開關(guān)等組成。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示[7]。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

硬件系統(tǒng)中兩個(gè)主要器件如下：

2.1 PLC 主機(jī)：采用西門子S7-1200 系列的CPU1215CDC/DC/DC。該P(yáng)LC 具有125KB 工作存

儲器；24VDC 電源，板載DI14×24VDC 漏型/源型，板載DQ10×24VDC 及AI2 和AQ2；板載6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4 個(gè)脈沖輸出；信號板擴(kuò)展板載I/O；多達(dá)3 個(gè)用于串行通信的通信模塊；多達(dá)8 個(gè)用于I/O 擴(kuò)展的信號模塊；0.04ms/1000 條指令；2個(gè)PROFINET 端口，用于編程、HMI 和PLC 間數(shù)據(jù)通信。主要用于實(shí)現(xiàn)各種執(zhí)行單元的控制。

2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)及步進(jìn)電機(jī)：

由于該機(jī)械手結(jié)構(gòu)為簡單的直線運(yùn)動(dòng)，負(fù)載小，受力??；運(yùn)行速度要求不高，沒有高速和低速的要求，同時(shí)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的成本要低于伺服驅(qū)動(dòng)控制，因此采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[8]。在此，我們采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。X 軸采用57CM23，Z 軸采用57HS22-S 帶剎車功能的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用DM542，該驅(qū)動(dòng)器為32 位DPS 處理技術(shù)，有細(xì)分設(shè)置和電流設(shè)計(jì)，滿足本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器具有穩(wěn)定性高，噪音小，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[9]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 本系統(tǒng)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

4 PLC 程序流程

PLC 程序流程如圖5 所示

圖5 PLC 程序控制流程圖

5 結(jié)語

從事制造業(yè)的企業(yè)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，則必須更換更新自動(dòng)化和數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備以提高生產(chǎn)效率。本文的設(shè)計(jì)就是為了減輕沖壓生產(chǎn)線上工人的工作量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上下料操作，極大地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。通過機(jī)械臂和吸盤在PLC 及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制，配合定位和檢測等傳感設(shè)備，完成了該自動(dòng)控制[10]。該設(shè)備體積小，可改造性和可調(diào)范圍更高，采用天平結(jié)構(gòu)，效率更高，操作簡單，性價(jià)比高。本設(shè)計(jì)對于中小企業(yè)轉(zhuǎn)型升級實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造有一定的應(yīng)用及推廣價(jià)值。