付洪保

（唐山學院機電工程系，河北 唐山 063000）

0 引言

氣動機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、污染小、成本低、易于實現(xiàn)直線運動、控制簡便、傳動快速以及環(huán)境適應性強等特點，廣泛應用于電子制造、包裝印刷、食品加工等領域。它有多個自由度，可用來搬運工件以完成在不同環(huán)境中的工作［1］?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）作為一種工業(yè)環(huán)境下的計算機控制裝置，具有極高的可靠性及應用便利性，得到了迅速普及和高速發(fā)展，日益成為機電控制及過程控制的關(guān)鍵部件。目前國內(nèi)高校機械設計制造及其自動化、測控技術(shù)及儀器、機電一體化等專業(yè)普遍開設液壓與氣壓傳動、可編程控制器、傳感器數(shù)據(jù)處理等課程，傳統(tǒng)的實驗裝置無法滿足培養(yǎng)機電一體化綜合知識運用能力的教學要求，迫切需要體現(xiàn)行業(yè)發(fā)展趨勢、技術(shù)先進的機電一體化實驗設備。為此，本文以一種通用的平面關(guān)節(jié)型搬運機械手為原型，應用工業(yè)標準的機械、電氣和氣動元件，設計了一種基于三菱PLC控制的四自由度教學型氣動機械手，并采用組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機控制，能夠抓取平面內(nèi)工件并旋轉(zhuǎn)、上下移動。該實驗裝置能為以上課程的綜合設計性實驗服務，培養(yǎng)學生機電一體化知識綜合運用能力。

1 總體設計

機械手由擺動氣缸、雙聯(lián)氣缸、標準氣缸和手爪組成，如圖1所示。具有4個自由度。工作時，擺動氣缸旋轉(zhuǎn)至立柱左側(cè)至限位位置，雙聯(lián)氣缸水平伸出，標準氣缸垂直下降，末端手爪抓取工件。擺動氣缸左右極限位置由接近開關(guān)控制，其他氣缸由磁性開關(guān)控制其運動位置。機械手動作過程由PLC進行控制，上位機組態(tài)實時監(jiān)控。

圖1 氣動機械手結(jié)構(gòu)

2 氣動系統(tǒng)設計

氣動機械手氣動系統(tǒng)原理如圖2所示。由于系統(tǒng)采用氣壓傳動，在設計時要考慮系統(tǒng)調(diào)壓、出口節(jié)流、順序動作以及安全等問題，要求手臂不會因自重而下滑，手爪抓緊可靠。

圖2 氣動機械手氣動系統(tǒng)原理圖

按照機械手4個自由度結(jié)構(gòu)，氣缸選擇如下：（1）擺動氣缸：SMC，型號CRB1BW30-180S，缸徑10 mm，擺動角度180°。（2）雙聯(lián)氣缸：SMC，型號CXSM15-100，缸徑15 mm，帶磁性開關(guān)。（3）標準氣缸：SMC，型號 CDJ2KB16-60-B，缸徑10 mm，行程15 mm，帶磁性開關(guān)。（4）末端手爪：SMC，型號 M HZ2-10D，手指數(shù)2，缸徑10 mm。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

根據(jù)機械手動作要求以及氣動系統(tǒng)原理，其電氣執(zhí)行元件（氣動電磁閥）選用直流24 V的型式，安全可靠，并設置了狀態(tài)顯示燈。（1）機械手動作順序如下：系統(tǒng)上電，復位燈閃，按復位按鈕，復位等滅，開始燈閃，按開始按鈕，開始燈滅，擺動氣缸至左位（初始位置），雙聯(lián)氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪松開，夾緊工位1工件，氣缸4上升，雙聯(lián)氣缸2收縮，擺動馬達旋轉(zhuǎn)至右位，雙聯(lián)氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪放松，放置工件至工位2。擺動氣缸回左位。1個工作行程結(jié)束，工件自工位1轉(zhuǎn)移至工位2。（2）PLC選擇：采用三菱FX2N-48MR型PLC，輸入點數(shù)24，輸出點數(shù)24。外圍設備方面采用上位工控機編程，RS-485通信方式，外部輸入設備有接近開關(guān)、按鈕和電磁閥等，外部輸出設備有繼電器、指示燈等。圖3為機械手輸入地址分配。

圖3 機械手輸入地址分配

4 組態(tài)實時監(jiān)控

組態(tài)的概念最早來自英文configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到計算機或軟件按照預先設置、自動執(zhí)行特定任務、滿足使用者要求的目的。組態(tài)王軟件是用于在上位機上實現(xiàn)監(jiān)控的一種智能化軟件，操作簡便直觀。它使采用PC機開發(fā)的系統(tǒng)比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復性工作，并可運用PC機豐富的軟件資源進行二次開發(fā)。組態(tài)王軟件包由工程管理器（組態(tài)王）、工程瀏覽器、畫面運行系統(tǒng)、信息窗口等4部分組成。其中，工程管理器用于新建工程和對工程進行管理。工程瀏覽器用于將畫面制作系統(tǒng)中已設計的圖形畫面、命令語言、設備驅(qū)動程序、各種報表等工程資源進行集中管理。畫面運行系統(tǒng)是組態(tài)王軟件的實時運行環(huán)境。信息窗口是一個獨立的Windows應用程序，用來記錄、顯示組態(tài)王開發(fā)和運行系統(tǒng)在運行時的狀態(tài)信息［2］。

組態(tài)王變量的基本類型共有2類：內(nèi)存變量、I／O變量。搬運機械手單元共定義了1個內(nèi)存離散變量和17個內(nèi)存整型變量。I／O變量是指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進行數(shù)據(jù)交換的變量，搬運機械手單元上位機與PLC進行通信定義了13個變量，表1列舉了部分基本變量。

表1 搬運機械手單元部分變量

這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動態(tài)的，就是說：在組態(tài)王系統(tǒng)運行過程中，每當I／O變量的值改變時，該值就會自動寫入PLC或應用程序；每當PLC或應用程序中的值改變時，組態(tài)王系統(tǒng)中的變量值也會自動更新。所以，這些從PLC采集來的數(shù)據(jù)、發(fā)送給下位機的指令，例如“ST2輸出禁止”“ST2復位中”等變量，都需要設置成I／O變量。

5 結(jié)語

搬運機械手單元機械結(jié)構(gòu)部分大多采用標準件，電氣控制系統(tǒng)元件少，控制柜和機械部分做成一體。由于采用組態(tài)軟件和PLC編程，其動作行程可根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時進行調(diào)整。該氣動機械手經(jīng)安裝、調(diào)試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良好運行。此系統(tǒng)簡單可靠，安全性高，可重復性好，模塊化，各項性能指標滿足機電一體化教學任務的要求。

［1］王月芹.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計.液壓與氣動，2011（9）

［2］北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王中文手冊，2001