周 鵬

（漢江師范學院 汽車與電子工程系，十堰 442700）

機械手可以在高危險、高污染、高溫度、高輻射等環(huán)境中代替人手完成零件的抓取、搬運、放置等工作，并且保證工作質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，將人工從繁重的體力勞動中解放出來，使現(xiàn)代制造技術達到一個新的水平。氣動機械手以壓縮空氣為傳動介質(zhì)，能快速、準確、穩(wěn)定地完成動作任務，具有成本低、可控性好、搬運效率高等優(yōu)點，在機械零件的加工、沖壓、鍛壓、焊接等生產(chǎn)線上得到了廣泛的應用[1-3]。但是，氣動機械手手臂的工作行程、轉(zhuǎn)位角度等都不可調(diào)，在一定程度上限制了氣動機械手的使用。搬運機械手是典型的機電一體化產(chǎn)品，可以通過觸摸屏隨時調(diào)整手臂的移動距離和移動速度，數(shù)字化程度高，符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對機械手的要求。

1 搬運機械手總體方案設計

搬運機械手包括手爪、手臂和軀干[4]。手爪由氣壓驅(qū)動實現(xiàn)機械手對零件的抓緊和松開，由直流電機驅(qū)動實現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)；手臂由步進電機驅(qū)動實現(xiàn)伸出、縮回、上升、下降和旋轉(zhuǎn)等動作，能夠準確、快速地把手爪送到指定的位置；軀干是安裝手臂、傳動機構(gòu)和各種元件的機架。在運動機構(gòu)的起點裝有原點位置傳感器（SQ1、SQ2、SQ5、SQ6），最大行程和最大轉(zhuǎn)角位置裝有限位傳感器（SQ3、SQ4、SQ7），其中手爪旋轉(zhuǎn)角度傳感器SQ7的位置可調(diào)。圖1所示為搬運機械手的結(jié)構(gòu)示意。

圖1 搬運機械手的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the carrying manipulator

2 搬運機械手的機械傳動設計

搬運機械手的動力源來自于電機和氣壓系統(tǒng)。為保證機構(gòu)傳動的精確性和靈敏性，搬運機械手運動和動力的轉(zhuǎn)化機構(gòu)采用螺旋轉(zhuǎn)動機構(gòu)，滾動螺旋副具備摩擦阻力小、壽命長、工作平穩(wěn)、傳動效率高、精度好等特點[5]，把步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為手臂的直線運動。通過控制脈沖個數(shù)控制步進電機轉(zhuǎn)過的角位移，可以準確定位；通過控制頻率可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)任意調(diào)速；通過方向控制可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)[6]。手爪采用法蘭盤安裝，能夠根據(jù)所抓物體的形狀、材料、大小及時更換手爪類型，增加搬運機械手適應搬運零件多樣性的需求?？梢哉{(diào)節(jié)限位傳感器SQ7的位置，改變手爪的轉(zhuǎn)角。

3 搬運機械手的控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)組成

搬運機械手控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏、控制按鈕、位置傳感器（接近開關）等組成。

搬運機械手的動作流程為按下“復位”按鈕，手爪和機械手臂回原點等待；按下“開始”按鈕后，控制器（PLC）根據(jù)運動指令要求控制驅(qū)動設備（步進電機驅(qū)動器、電磁閥）來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（步進電機、氣缸、直流電機）運動，完成零件的抓取、搬運和放置的動作。PLC接收來自傳感器的檢測信號，結(jié)合高速脈沖端口輸出的脈沖個數(shù)、頻率和方向控制端口的輸出信號，在觸摸屏上顯示搬運機械手的運行狀態(tài)?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic block diagram of control system

3.2 I/O端口的需求分析

搬運機械手在正常工作時，有8個位置傳感器（接近開關）檢測的數(shù)字信號送給PLC，考慮到控制系統(tǒng)的需求，還要設置3個控制按鈕，分別實現(xiàn)“啟動”、“停止”、“復位”功能，共需要11個數(shù)字信號輸入端口。

PLC控制1臺直流電機、1個電磁閥、3臺步進電機、3個信號燈，需要3個高速脈沖輸出端口、8個數(shù)字量信號輸出端口。

3.3 PLC及觸摸屏的選擇

根據(jù)搬運機械手控制系統(tǒng)的組成及I/O端口信號的數(shù)量、類型等要求，同時按I/O端口20%～30%的備用原則[7]，選用西門子S7-200 SMART PLC，CPU型號為ST30，該型號CPU采用繼電器輸出方式，具有18個數(shù)字量輸入端口、12個數(shù)字量輸出端口（其中Q0.0、Q0.1和Q0.3為高速脈沖輸出端口），完全滿足系統(tǒng)要求。

觸摸屏是人機交互界面，可以設置控制信號并送給控制器，也可以把控制器的信息顯示出來。搬運機械手的觸摸屏選用S7-200 SMART的觸摸屏Basic HMI，作為系統(tǒng)上位監(jiān)控界面。觸摸屏與PLC之間采用RS485端口通訊。

3.4 驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路是保證電機和電磁閥準確動作的關鍵。PLC輸出端口的高速脈沖信號和方向信號分別送給步進驅(qū)動器的PLS+端口和DIR+端口，控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。PLC數(shù)字端口輸出的信號功率（0.75 W）不能直接驅(qū)動直流電機和電磁閥，需要由中間繼電器進行轉(zhuǎn)換。PLC控制步進電機主輸出功能分配表如表1所示。

3.5 控制系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)的控制程序是搬運機械手完成動作的關鍵，搬運機械手的控制程序嚴格按照控制時序圖編寫。STEP 7-MicroWIN SMART是西門子PLC的編程軟件，可以監(jiān)控CPU程序的運行狀態(tài)，梯形圖式的編程方式簡單直觀，為程序的設計提供了便利。通過運動控制功能，可以控制高速脈沖的輸出數(shù)量和頻率，完成位移和調(diào)速等運動功能[8]。

表1 PLC控制步進電機功能分配表Tab.1 Distribution table of PLC control

S7-200 Smart PLC的高速脈沖端口輸出的相對脈沖可以設置32條運動曲線，相對位置組態(tài)的曲線最多允許組態(tài)16個單獨的步，每步都允許指定目標速度和位置，為搬運機械手實現(xiàn)精確控制和參數(shù)設置提供了便利，設置如圖3所示。

圖3 設置運動曲線每一步脈沖的頻率和數(shù)量Fig.3 Sets the frequency and number of pulses for each step of the motion curve

PLC運動控制向?qū)гO置完成后，根據(jù)運動時序圖編寫搬運機械手的控制程序，經(jīng)在線監(jiān)控和反復調(diào)試，最終達到控制的要求，PLC控制伸縮步進電機驅(qū)動程序如圖4所示。

圖4 伸縮步進電機驅(qū)動程序Fig.4 Stepper motor driver

4 結(jié)語

采用S7-200 Smart PLC運動控制向?qū)崿F(xiàn)搬運機械手運動控制的設計，該系統(tǒng)具有定位準確、操作方便、易于實現(xiàn)的特點，可滿足搬運機械手運動的要求。上位機采用觸摸屏組態(tài)實現(xiàn)步進電機運動狀態(tài)的監(jiān)控和參數(shù)設置，方便工程技術人員調(diào)整搬運機械手運行時手指到達的位置。搬運機械手系統(tǒng)具有硬件組建周期短、精度高和易于維護和實現(xiàn)的優(yōu)點，廣泛應用后，可有效地增強企業(yè)的自動化水平，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

[1]范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動，2010（7）：36-38.

[2]唐少琴.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J].機械設計與制造工程，2016，45（5）：51-53.

[3]王月芹.基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動，2011（9）：41-43.

[4]晏永紅.基于PLC控制的二維通用機械手設計研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（12）：127-130.

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[6]孫松麗，吳曉昉.基于S7-200 SMART PLC的自動焊接系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2014，36（11）：137-140.

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[8]黨媚.基于S7-200Smart PLC的三軸運動控制系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表，2015（9）：92-94.