閆鑫

（貴州大學(xué)明德學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

隨著工業(yè)控制技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化程度越來越高，我國的工業(yè)生產(chǎn)正在從勞動密集型生產(chǎn)方式向著技術(shù)密集型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。近年來智能制造裝備領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，工業(yè)機器人作為智能制造領(lǐng)域的代表，在工業(yè)自動化、智能化的發(fā)展中起到了重要的作用。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，能夠模仿人手和手臂的某些動作功能，按照設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)抓取、搬運或者其他操作。

1 機械手的結(jié)構(gòu)

機械手的機械結(jié)構(gòu)主要由手部、手臂、立柱、行走機構(gòu)、機座以及控制系統(tǒng)組成。（1）手部是與工件直接接觸的部位，本文采用了夾持式的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計，手部的主要機構(gòu)分為傳力機構(gòu)和手指兩部分。（2）手臂將立柱和手指之間建立了連接，根據(jù)夾取目標的需要調(diào)整手指的位置，手臂經(jīng)過動力源的配合相應(yīng)的手指完成對工件的夾取動作。（3）立柱不僅對手臂起到了很好的支持作用，還能夠根據(jù)夾取的需要帶動機械手的手臂完成升降或者是回轉(zhuǎn)運動，同時能夠根據(jù)工作需要進行水平橫向運動。（4）行走機構(gòu)。機械手的行走機構(gòu)可以幫助機械手實現(xiàn)遠距離、大范圍的操作，實現(xiàn)機械手的整體運動。（5）機座。機座是支撐機械手以及各個執(zhí)行機構(gòu)的支持機構(gòu)。機械手的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 機械手結(jié)構(gòu)原理圖

2 機械手運動流程設(shè)計

機械手根據(jù)不同的使用場合采用了不同的控制方式，以滿足各種控制要求，一般可以分為手動控制和自動控制兩種類型。手動控制主要是為了實現(xiàn)機械手在安裝調(diào)試過程或者機械手出現(xiàn)故障進行維修時，實現(xiàn)對機械手各個控制步驟的單步操作。自動模式又可以分為單周期操作和連續(xù)操作。單周期模式下，按下啟動按鈕后機械手按照PLC控制器設(shè)定的程序，自動完成一個周期的動作，然后返回到并且停留在初始步。連續(xù)操作模式下，機械手從原點開始，按下啟動按鈕后會連續(xù)不斷的循環(huán)操作。如果按下停止按鈕，機械手完成一個任務(wù)后停止，下一次任務(wù)需要按下啟動按鈕才能進行，如果出現(xiàn)緊急情況需要立即停止，可以按下急停按鈕，機械手的運動流程如圖2所示。

圖2 機械手的運動流程圖

3 機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 PLC控制器硬件選型

SIEMENS公司提供在自動化科技領(lǐng)域的產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)。本文選用的PLC為SIEMENS公司S7-300系列，PLC的主要硬件配置如表1所示。

3.2 伺服控制系統(tǒng)選型

伺服控制系統(tǒng)由西門子S7-200系列PLC、松下MINAS A4系統(tǒng)交流伺服電機驅(qū)動器、以及MHMD022G1U永磁同步交流伺服電機、伺服編碼器組成。松下MINAS A4系統(tǒng)交流伺服電機驅(qū)動器具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種模式，同時具有過流保護和過熱保護功能。伺服驅(qū)動器接收來自西門子PLC輸出的脈沖指令，驅(qū)動伺服電機帶動機械手平移。機械手移動通過PLC Q0.4控制伺服系統(tǒng)的啟動，開關(guān)啟動電機實現(xiàn)機械手的運動，PLC的方向控制信號Q0.3決定了伺服電機的轉(zhuǎn)動方向，從而控制機械手的移動方向。

表1 PLC的主要硬件配置

3.3 傳感器選型

光電傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺缓笤诠怆娫淖饔孟聦⒐庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，光電傳感器具有高精度、非接觸、反應(yīng)靈敏、可靠性高的特點。本文選用LJM12(18)A-4Z/NKS型光電開關(guān)，當(dāng)工件接近最左端的感應(yīng)區(qū)域時，光電開關(guān)能夠?qū)⑤斎氲碾娏鬓D(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?，?jīng)過同步選通電路，導(dǎo)通三極管，實現(xiàn)工件或者運動機構(gòu)是否到位檢測。

光柵傳感器的精度高，測量直線的精度可以達到0.5～3μm/3000mm，動態(tài)范圍大，能夠廣泛應(yīng)用在靜態(tài)測量和主動測量等領(lǐng)域。本文選用的光柵傳感器為SGC-4.2型光柵傳感器，光柵傳感器利用光柵的相對移動，使透射光強度呈現(xiàn)出周期變化的特點，光電元件表現(xiàn)出成周期性變化的電信號，通過檢測電信號得出工件的位移量。

4 機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文選用的PLC為SIEMENS公司的S7-300系列，STEP 7是專門用于SIEMENS PLC開發(fā)的組態(tài)和編程的軟件包，使用者可以根據(jù)自己的項目開發(fā)需要采用合適的版本。STEP標準軟件中含有一系列應(yīng)用程序：SIMATIC管理器、符號編輯器，NETPRO網(wǎng)絡(luò)配置、硬件配置、編程語言、硬件診斷。STEP 7標準軟件包功能和組成如圖3所示。

4.1 機械手控制I/O分配

根據(jù)機械手的控制流程，本文采用了17個PLC控制輸入點，5個PLC輸出點，能夠滿足機械手控制系統(tǒng)對于PLC I/O點數(shù)的控制要求，PLC輸入控制點的地址如表2所示，輸出控制點的地址如表3所示。機械手控制系統(tǒng)的PLC控制接線圖如圖4所示，其中機械手輸出端口通過控制繼電器來實現(xiàn)對電磁閥的操作。

圖3 STEP 7標準軟件包組成

表2 輸入控制信號地址分配

表3 輸出控制信號地址分配

4.2 機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

機械手的控制程序分為手動控制程序和自動控制程序，自動控制程序又可以分為單周期控制程序和連續(xù)控制程序。選擇機械手連續(xù)控制程序時，可以在任意時刻按下停止按鈕，機械手停止在任意位置，一旦按下“啟動按鈕”（I2.6）后，中間繼電器M0.7得電，按下停止按鈕后M0.7失電，控制程序如圖5所示。

機械手控制程序根據(jù)PLC的I/O地址分配進行設(shè)計，采用上升沿微分指令（P）實現(xiàn)單按鈕控制機械手的單步動作，可以明顯節(jié)省按鍵和PLC的I/O資源。選擇“單步”方式，按下啟動按鈕后，機械手只執(zhí)行一步動作，其他控制方式時，M0.6始終得電，控制程序如圖6所示。

圖4 機械手控制系統(tǒng)接線圖

圖5 機械手連續(xù)控制PLC程序

圖6 機械手單步控制PLC程序

機械手動作完成一次循環(huán)后，回到原點位置（I0.3），如果在機械手運動過程中沒有按下過停止按鈕，進入到下一循環(huán)過程，開始下降（M2.0）抓取貨物。下降到位后，機械手下限位開關(guān)控制機械后停止下降，并開始抓取獲?。∕2.1），抓取到貨物后（M2.1）由延時開關(guān)控制（T37）控制抓緊獲取，然后機械手開始上升（M2.2），上升到位（I0.2）后開始左行（M2.3）。機械手左行到位（I0.4）后，由M2.4開始控制機械手下降，然后依次完成機械手下降，松開放下獲取，然后機械手上升，上升到位后右行回到原點，機械手的部分控制程序如圖7所示。

5 結(jié)語

本文基于西門子S7-300控制器實現(xiàn)了機械手運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成了機械手控制的預(yù)期要求。本文根據(jù)機械手的控制要求確定了機械手PLC輸入和輸出的控制點，選取合適的PLC控制器、伺服系統(tǒng)以及傳感器，搭建了PLC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)采用STEP7程序編寫，實現(xiàn)了機械手的單步手動控制和自動控制，根據(jù)不同的控制要求編寫了控制流程圖以及PLC控制程序，實現(xiàn)了機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計。

圖7 機械手部分控制程序

[1] 李海禎,于復(fù)生,范國隆,國海芝,張佳麗.基于S7-200PLC的二自由度氣動絹花拾取機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓,2018,46(03):5-6+11.

[2] 劉兆亮. 基于PLC控制的柔性生產(chǎn)線中自動分揀系統(tǒng)的研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2017.