江子敬，劉煥牢，蘇妙靜，周磊磊

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

在目前的工業(yè)生產(chǎn)線應(yīng)用中，機(jī)械手越來越受到重視，因為它不同于人工，它能不停歇的一直運(yùn)動，而且使用靈活方便，能完成各式各樣的任務(wù)，能把人從一些簡單重復(fù)或者相對復(fù)雜的工作中解放出來，更重要的是，機(jī)械手的存在，能提高產(chǎn)品的效率，省時又省事[1]。人的手臂能完成的一些動作，機(jī)械手基本上也都能完成甚至是更好的完成。它的動作過程，只需要按照規(guī)定編程，就能實現(xiàn)各種預(yù)定的動作。運(yùn)用可編程控制器PLC進(jìn)行程序的編制，其編程簡單，調(diào)試相對容易且方便安裝維護(hù)，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。本設(shè)計最終選用三菱FX3U系列PLC，其性能相對較好，能更好地完成所需的控制任務(wù)，但是由于PLC可視化較弱，增加觸摸屏，可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，其操作簡單以及界面友好，并能減少PLC所需的I/O點(diǎn)數(shù)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的整體效果[4-5]。

1 工作過程和控制要求

如圖1是機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖，其主要任務(wù)是將物件從工作臺A搬運(yùn)至工作臺B，其中該機(jī)械手三軸傳動單元均由伺服電機(jī)來驅(qū)動，機(jī)械手的夾緊或放松由一個單線圈電磁閥控制，線圈通電時，機(jī)械手夾緊動作，斷電時松開動作，并在電機(jī)與傳動部件之間放置減速裝置，由兩個移動軸、一個轉(zhuǎn)動軸來完成末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動[6]。設(shè)定原點(diǎn)位置為：機(jī)械手位于上升極限位，縮回極限位，右轉(zhuǎn)極限位且機(jī)械爪處于松開狀態(tài)。其工作過程為：

原點(diǎn)→伸出→下降→夾緊→上升→縮回→左轉(zhuǎn)→下降→松開→上升→右轉(zhuǎn)→原點(diǎn)

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)械手的工作方式有原點(diǎn)回歸、手動、單步、單周期和自動運(yùn)行五種模式，對于每種模式都需要有詳細(xì)的設(shè)計，當(dāng)工件在A位置時，機(jī)械手收到信號后，從原點(diǎn)位置開始按控制順序移動并夾取工件到B位置，為了能更好地對控制系統(tǒng)調(diào)試，檢查每個控制過程的狀態(tài)，其他幾個模式的設(shè)計也顯得很有必要。

2 硬件設(shè)計

2.1 機(jī)械手的硬件組成

系統(tǒng)的主要組成部分如下：運(yùn)動控制模塊（控制器）、驅(qū)動模塊（伺服驅(qū)動器）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械部件）、傳感器模塊、觸摸屏等。本設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)械手的自由度有：上下運(yùn)動單元（豎直軸）、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動單元（旋轉(zhuǎn)軸）、伸縮運(yùn)動單元（水平軸），共同完成末端執(zhí)行器的搬運(yùn)作業(yè)。

2.2 PLC的選型及I/O口分配

通過控制的需要，輸入輸出點(diǎn)的個數(shù)以及分配都需要明確，在本設(shè)計中，由于應(yīng)用了觸摸屏，故輸入點(diǎn)個數(shù)只有6個，輸出點(diǎn)個數(shù)是7個，特殊輔助繼電器有17個。在I/O接口的選擇上，要注意留有一定的余量，一般來說是不超過最大I/O點(diǎn)的85%?；诖丝紤]，故選擇了三菱FX3U系列的PLC，選擇的型號為：FX3U-32MR。此PLC能很好地滿足控制要求，且性能較好。機(jī)械手具體的輸入輸出分配與觸摸屏軟元件分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC的程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用模塊化編程方法來設(shè)計PLC程序，本控制系統(tǒng)中有五種工作方式，通過分析這五種工作方式的控制要求，就會發(fā)現(xiàn)單步、單周期和自動工作方式的控制過程是一樣的，都是系統(tǒng)的運(yùn)行控制，只不過控制方式不同而已，故把這三種工作方式合在一起編程，那么實際上需要編程的是手動程序、原點(diǎn)回歸程序、自動程序以及用于他們之間切換的公用程序，多設(shè)計了緊急處理程序的編程，這可以讓系統(tǒng)安全性提高。本程序的設(shè)計采用PLC的狀態(tài)初始化指令I(lǐng)ST和步進(jìn)指令STL結(jié)合編程，使用IST指令必須要有滿足指令所要求的外部接線規(guī)定以及內(nèi)部軟元件應(yīng)用條件，這樣對于該指令才能完成所需的控制功能。而且由于使用了這個指令，可以節(jié)約設(shè)計的時間[7]。

3.2 各部分程序的編程

3.2.1 緊急停止處理程序

當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行到某狀態(tài)需要緊急停止或其他突發(fā)狀況需要及時停止時，可運(yùn)用此程序進(jìn)行緊急停止，不過也需要了解的是，這個緊急停止程序不是外部電源的停止，僅僅是內(nèi)部斷開一切的輸出觸點(diǎn)，其具體程序如圖2所示。

圖2 緊急處理程序

3.2.2 公用程序

作用是手動程序、原點(diǎn)回歸程序以及自動程序三者之間的轉(zhuǎn)換，其具體程序如圖3所示。

圖3 公用程序

圖4 手動程序SFC

3.2.3 手動程序

用于控制機(jī)械手的各個執(zhí)行器的單獨(dú)接通和斷開，如機(jī)械手的上升、下降、伸出、縮回、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、夾緊和放松。可試驗各個部分能否完成控制要求。在手動程序中，在相反的運(yùn)動中設(shè)計了必要的互鎖，如上升與下降之間，伸出與縮回之間，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)之間，以使控制過程更加安全可靠。其手動程序的順序功能圖SFC如圖4所示，其梯形圖如圖5所示。

圖5 手動程序梯形圖

圖6 原點(diǎn)回歸SFC

3.2.4 原點(diǎn)回歸程序

原點(diǎn)是機(jī)械手的初始機(jī)械位置，在本設(shè)計中，原點(diǎn)由上升、縮回和右轉(zhuǎn)三個限位開關(guān)表示。并且在回歸原點(diǎn)之后，需要發(fā)出信號，表示原點(diǎn)位置條件的滿足，并為進(jìn)入自動程序段做好準(zhǔn)備。原點(diǎn)回歸的順序功能圖如圖6所示，部分梯形圖如圖7所示。

圖7 原點(diǎn)回歸程序梯形圖（部分）

3.2.5 自動程序

自動程序包括了單步、單周期和自動控制程序，在運(yùn)行自動程序時，機(jī)械手必須處于原點(diǎn)位置，若不在原點(diǎn)位置上，首先需要進(jìn)行原點(diǎn)回歸。單步表示在控制過程中，每按動一次按鈕，控制就按順序向前運(yùn)行一步，此方式可用以機(jī)械手的調(diào)試以及確定控制順序是否正常。單周期是指機(jī)械手僅運(yùn)行一個工作周期，在單周期運(yùn)動過程中，如果中途按下停止按鈕，機(jī)械手會立即停止工作，當(dāng)重新啟動時，會繼續(xù)上次結(jié)束的地方開始運(yùn)動。自動運(yùn)行工作方式是按工作流程反復(fù)循環(huán)的工作，在此模式下，如果中途按下停止按鈕，則會繼續(xù)完成一個工作周期直到回到原點(diǎn)才結(jié)束[8-9]。自動程序的順序功能圖如圖8所示，部分梯形圖如圖9所示。

圖8 SFC

4 觸摸屏設(shè)計

圖9 自動程序（部分）

本次設(shè)計采用的是三菱觸摸屏的編程軟件GT3-De?signer3（簡稱GT3），它是由三菱電機(jī)公司開發(fā)的人機(jī)交互界面編程軟件。由于它使用便捷的特點(diǎn)和能夠直接與三菱PLC編程軟件模擬仿真的功能，所以選擇此款軟件作為開發(fā)軟件?？蛇x擇GOT2000系列，型號為：GT2710-VTBA的觸摸屏，觸摸屏與FX3UPLC直接相連時，選擇RS-232端口進(jìn)行通信。界面設(shè)計分為主界面和工作模式界面，即為開機(jī)的界面，包括有五種工作模式的選擇，其他界面分別為各個模式的具體操作界面。僅以開機(jī)界面和手動操作界面為例，其他界面類似，如圖10為主界面，圖11為手動操作界面。

圖10 主界面

圖11 手動界面

5 調(diào)試與應(yīng)用

在開始實際的安裝運(yùn)行之前，需要先通過模擬調(diào)試。調(diào)試的時候可以各個部分分開運(yùn)行，也可以整體調(diào)試。在設(shè)備調(diào)試之前，要仔細(xì)檢查外部設(shè)備的連接是否完好，接線有沒有問題等，檢查完畢可以就地手動調(diào)試，再根據(jù)具體調(diào)試情況進(jìn)行修改，經(jīng)過控制機(jī)械手的實際運(yùn)行情況，能滿足控制對象的要求。通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計之后，此程序能按預(yù)定控制需要正確的工作[10]。該搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本與時間成本。

6 結(jié)束語

機(jī)械手對于自動化生產(chǎn)線具有重要作用，而采用PLC與觸摸屏相結(jié)合進(jìn)行控制，簡化了硬件的接線線路，且其性能較好，運(yùn)行可靠，可以更快捷、準(zhǔn)確地完成搬運(yùn)任務(wù)。機(jī)械手程序運(yùn)行穩(wěn)定，采用了模塊化的思想，各種工作方式之間可自由切換，通過對機(jī)械手的軟硬件的設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)了機(jī)械手的控制需求。