崔小松　肖建章

目前,機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,其中工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代化工業(yè)國家正在得到越來越廣泛的應(yīng)用,各種類型的工業(yè)機(jī)器人不斷進(jìn)入市場,這要求有更多掌握機(jī)器人技術(shù)的人員,能夠正確操作和使用機(jī)器人。為了適應(yīng)這一社會需求,開發(fā)模擬工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的實驗教學(xué)系統(tǒng)就成為緊迫需要。而作為機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及機(jī)電一體化技術(shù)教育的教學(xué)工具,對人才培養(yǎng)和高新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。目前市場上所提供的教學(xué)型機(jī)器人或機(jī)械手一般價格在十幾萬元左右,且不具開放性,即用戶只能高端應(yīng)用而無法根據(jù)需要進(jìn)行多層次開發(fā)。因此,研制一種低成本開放性的機(jī)械手應(yīng)用于機(jī)電一體化教學(xué)實驗是非常必要的。

本文以工業(yè)自動化應(yīng)用中最廣泛的裝配機(jī)械手為教學(xué)實驗系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo),以四個自由度機(jī)械手為例,研究在PLC 控制下實現(xiàn)手動及自動等多種工作方式,為學(xué)習(xí)機(jī)電一體化技術(shù)提供一種理想的教學(xué)實驗裝置。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

教學(xué)型機(jī)械手實驗系統(tǒng)作為一種工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的模擬系統(tǒng),首先要在總體結(jié)構(gòu)和控制功能上最大限度地反映實用工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)的主要特征,如機(jī)電一體化的系統(tǒng)構(gòu)成方式等,同時能做到結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。

根據(jù)此設(shè)計理念開發(fā)的可編程數(shù)字控制機(jī)械手由人機(jī)界面、機(jī)械部分和電氣部分三部分組成。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.機(jī)械部分

機(jī)械部分有兩個直線運動軸,即X、Y軸,兩個旋轉(zhuǎn)方向,即底座與抓手。X直線軸采用步進(jìn)電機(jī)與梯形螺紋絲桿直接連接;Y直線軸采用伺服電機(jī)與梯形螺紋絲桿直接連接;抓手的旋轉(zhuǎn)用步進(jìn)電機(jī)與汽缸直接連接;底座的旋轉(zhuǎn)用步進(jìn)電機(jī)通過1:1同步帶輪傳動。另外加上回零、限位及其他附件組成。抓手直接裝到汽缸上,選用不同類型的抓手可以實現(xiàn)移動不同產(chǎn)品的功能。機(jī)械部分如圖2所示。

2.電氣部分

電氣控制部分采用西門子S7-200 PLC控制三個步進(jìn)驅(qū)動器和一個伺服驅(qū)動器,再由驅(qū)動器分別控制三臺步進(jìn)電機(jī)和一臺伺服電機(jī)實現(xiàn)機(jī)械手直線移動和旋轉(zhuǎn)動作。各個軸的控制數(shù)據(jù)由人機(jī)界面(觸摸屏)輸入。編輯功能也由人機(jī)界面編輯,參數(shù)的寫入也通過人機(jī)界面。人機(jī)界面和PLC通過通訊線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。控制信號由PLC發(fā)出,抓手的夾緊、松開通過PLC控制汽缸來實現(xiàn)。

為了實現(xiàn)用一個高速脈沖輸出口Q0.0控制四臺電機(jī),實際項目中,通過具有16個I/O口的EM223來擴(kuò)展高速脈沖輸出,從而達(dá)到控制三臺步進(jìn)電機(jī)和一臺伺服電機(jī)速度的目的。

3.人機(jī)界面

本設(shè)計采用MT500觸摸屏。該觸摸屏具有功能強(qiáng)大的中文編輯軟件,輕松完成復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計;具有手寫留言板功能,具有實現(xiàn)三級用戶口令保護(hù)的功能;具有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置的RTC和配方功能,支持一機(jī)多屏和一屏多機(jī)的系統(tǒng)連接;雙通訊口和獨立的打印接口(MT506產(chǎn)品不支持打印接口);可為OEM用戶的專用控制器開發(fā)專門的通訊協(xié)議驅(qū)動。

人機(jī)界面主要是完成對機(jī)械手的運行方式的修改、運行參數(shù)的設(shè)定及修改、運行狀況實施現(xiàn)場監(jiān)控、報警等功能。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.系統(tǒng)功能概述

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成對機(jī)械手的監(jiān)控及運動方式的設(shè)定。機(jī)械手運行狀況的監(jiān)控及運行參數(shù)的設(shè)定可以由人機(jī)界面完成。PLC主要是將人機(jī)界面下達(dá)的各種指令對機(jī)械手進(jìn)行控制,并將機(jī)械手的運行狀態(tài)上傳到人機(jī)界面。

2.PLC控制程序

根據(jù)機(jī)械手的工作過程要求,確定各動作的先后順序和相互關(guān)系,得出機(jī)械手控制流程圖。PLC 控制程序主要有回零方式、手動方式、單步方式、單周方式和自動方式。

另外,為了使機(jī)械手始終運行在安全狀態(tài)下,四個動作的八個方向都有安全限位,并且對各種報警都有報警提示。為了達(dá)到以上控制要求,PLC程序是很復(fù)雜的。我們合理地利用了西門子PLC步進(jìn)編程的優(yōu)勢,用步進(jìn)構(gòu)成整個程序的骨架。然后對于每個骨架分別用基本指令和功能指令完成預(yù)定的動作。由于該機(jī)械手是典型的位置控制方式,所以在程序上多使用功能指令。這樣由步進(jìn)指令構(gòu)建整個程序的骨架,再合理的利用功能指令。使得整個復(fù)雜的程序?qū)哟畏置?更改和調(diào)試就變得容易了。

3.人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)界面(觸摸屏)的畫面在其支持軟件上制作,通過軟件工具庫的工具調(diào)用以及相關(guān)項的設(shè)定或通過宏定義可設(shè)計出所需畫面。這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用,而觸摸屏與PLC通過RS-485通信電纜連接可實現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計調(diào)試過程中,也可從觸摸屏上傳畫面到計算機(jī)對畫面進(jìn)行修改。圖3為人機(jī)界面的一個畫面。

三、機(jī)械手實驗

本實驗系統(tǒng)可以滿足PLC、氣壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)電傳動等課程的實驗要求,開設(shè)的實驗有:

認(rèn)識性實驗:PLC(西門子S7-200)及其軟件、變頻器、電動機(jī)、減速器、帶傳動、傳感器、機(jī)械手、穩(wěn)壓電源、空氣壓縮機(jī)、氣壓缸、電磁閥等。

應(yīng)用性實習(xí):邏輯控制、順序控制、定時控制、計數(shù)控制、步進(jìn)控制等。

設(shè)計性實習(xí):機(jī)械手控制、步進(jìn)電機(jī)及伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制、數(shù)碼管顯示控制、檢測剔除控制。

創(chuàng)新性實習(xí):模擬量控制、立體倉庫、步進(jìn)電機(jī)控制、伺服電機(jī)控制等。

該實驗裝置系統(tǒng)已研制完成,通過驗收,并且經(jīng)過學(xué)生實習(xí),收到了滿意的效果。

(作者單位:廣東省技師學(xué)院)