左 國(guó)

（同煤集團(tuán)化工廠， 山西 大同 037001）

引言

隨著中國(guó)制造2025的提出，中國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化程度向前邁出了一大步。越來越多的工廠開始解放工人的雙手，進(jìn)而以機(jī)械手來取代。機(jī)械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成，主要可完成移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、抓取等動(dòng)作[1-3]。

采用PLC控制機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的動(dòng)作，不僅可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，而且可以有效提高產(chǎn)品的一致性。本文通過機(jī)械手設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹氣動(dòng)技術(shù)與PLC控制相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的過程。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作流程

整個(gè)機(jī)械手取料系統(tǒng)主要由左右氣缸、上下氣缸和夾緊氣缸組成。左右氣缸和上下氣缸均為雙作用氣缸，安裝有2個(gè)到位開關(guān)傳感器；夾緊氣缸為單作用氣缸，安裝1個(gè)到位開關(guān)傳感器。到位開關(guān)傳感器的作用為判斷氣缸是否到達(dá)預(yù)定位置，以使機(jī)械手取料系統(tǒng)更加安全可靠，如圖1所示。

機(jī)械手系統(tǒng)的具體工作流程為：機(jī)械手的初始位置為左右氣缸處于縮回狀態(tài)，上下氣缸也處于縮回狀態(tài)，夾緊氣缸處于松開位置；當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，上下氣缸伸出，夾緊氣缸到達(dá)位置A，夾緊氣缸夾取工件，上下氣缸收縮，然后左右氣缸伸出，上下氣缸伸出，夾緊氣缸夾著工件到達(dá)位置B，夾緊氣缸松開工件，上下氣缸縮回，隨后左右氣缸縮回，回到初始位置。至此，機(jī)械手系統(tǒng)完成一個(gè)取料周期。其工作流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)氣壓傳動(dòng)工作原理

根據(jù)機(jī)械手的功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的氣壓傳動(dòng)原理如圖3所示，其中控制左右氣缸和上下氣缸的電磁閥采用兩位五通電磁閥，夾緊氣缸采用兩位三通電磁閥。氣源采用普通空壓機(jī)氣源，氣源處理原件選用調(diào)壓過濾器，以去除壓力空氣中的水分，調(diào)節(jié)壓力范圍為 0.5～0.7MPa。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)工作流程示意圖

圖3 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由氣缸、電磁閥、傳感器、PLC和觸摸屏組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖4所示。

根據(jù)前文設(shè)計(jì)，系統(tǒng)一共有5個(gè)到位傳感器，因此PLC的輸入點(diǎn)數(shù)應(yīng)為5個(gè)傳感器點(diǎn)位加2個(gè)工作臺(tái)有無物料的光電傳感器點(diǎn)位和啟動(dòng)、停止、急停和復(fù)位按鈕點(diǎn)位，共計(jì)11個(gè)輸入點(diǎn)位；PLC輸出點(diǎn)數(shù)應(yīng)為3個(gè)氣缸電磁閥輸出點(diǎn)位加啟動(dòng)、停止、急停、以及A、B兩位置物料指示燈的輸出點(diǎn)位，共計(jì)8個(gè)點(diǎn)位；另外需要預(yù)留部分輸入輸出點(diǎn)位以供系統(tǒng)后期擴(kuò)展。由此可知，西門子S7-200系列的PLC即可滿足系統(tǒng)控制要求[4]。

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)通信接口，其中一個(gè)與PC機(jī)相連，負(fù)責(zé)程序的編寫與下載，另一個(gè)與觸摸屏相連。在目前的工業(yè)設(shè)備中，觸摸屏具有參數(shù)設(shè)置、設(shè)備監(jiān)控與控制、設(shè)備報(bào)警等功能，使用十分方便。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 PLC程序編寫

程序編寫設(shè)計(jì)主要包括手動(dòng)程序設(shè)計(jì)，停止、急停、復(fù)位、報(bào)警等程序設(shè)計(jì)和自動(dòng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)[5]。

1）為滿足設(shè)備的調(diào)試、維護(hù)等需求，要求系統(tǒng)可以對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行單步控制，相應(yīng)的手動(dòng)控制按鈕可以設(shè)置在觸摸屏界面上。

2）為滿足設(shè)備的正常安全運(yùn)行，需要設(shè)置有停止、急停、故障報(bào)警等功能。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在當(dāng)前周期結(jié)束后停止到零點(diǎn)。當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，系統(tǒng)立即停止所有動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，立即停止所有動(dòng)作，并給出報(bào)警信號(hào)。

3）系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)，即按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)按照預(yù)定要求進(jìn)行物料的抓取、搬運(yùn)與放置等操作，其程序流程如圖5所示。

3.3 PLC觸摸屏設(shè)計(jì)

PLC的觸摸屏設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)歡迎界面、參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)控制界面和自動(dòng)控制界面等。歡迎界面主要為開機(jī)歡迎界面和待機(jī)界面；參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)置機(jī)械手運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，如節(jié)拍、運(yùn)行速度等；手動(dòng)控制界面設(shè)置有左右氣缸伸縮、上下氣缸伸縮、氣爪夾緊松開等按鈕，通過PLC的輔助繼電器控制各氣缸電磁閥動(dòng)作。此外，界面中還包括一些輔助控制按鈕，如復(fù)位、停止等。

本設(shè)計(jì)中選擇昆侖通態(tài)（MCGS）觸摸屏作為監(jiān)控設(shè)備，通過觸摸屏內(nèi)部軟件制作系統(tǒng)的控制界面、操作按鈕等，然后建立觸摸屏與PLC的對(duì)應(yīng)接口關(guān)系，具體關(guān)系如表1所示。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖

表1 觸摸屏與PLC對(duì)應(yīng)接口關(guān)系表

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成之后首先需要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試分為手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)調(diào)試。調(diào)試之前需要先檢查氣路、電路是否連接正確可靠，若硬件連接沒問題，則接下來開始手動(dòng)調(diào)試。

首先夾緊氣缸張開，左右氣缸縮回，上下氣缸伸出，看氣抓是否到達(dá)預(yù)定的A位置，若有偏差則調(diào)整工作臺(tái)A與機(jī)械手系統(tǒng)的相對(duì)位置；調(diào)整完畢后使夾緊氣缸保持張開，左右氣缸伸出，上下氣缸伸出，按同樣的方法調(diào)整B位置。A、B位置調(diào)整完成，按照工作流程進(jìn)行單步操作，將物料從位置A拿放到位置B，對(duì)執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行合適的調(diào)整。

手動(dòng)調(diào)試完成之后，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試。即將開關(guān)置到自動(dòng)擋，使機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。分別在A、B兩個(gè)位置隨機(jī)組合的放置或不放物料，按下啟動(dòng)按鈕看系統(tǒng)是否按照預(yù)定程序進(jìn)行動(dòng)作，若和預(yù)定程序不同則進(jìn)行修改完善，直至系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的工廠企業(yè)開始布局自動(dòng)化生產(chǎn)線，而機(jī)械手作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中可以說是不可缺少的一部分。本文采用PLC和電磁閥對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的預(yù)定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)氣缸的合理精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。