付保英

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 河南鶴壁 458030）

0 引言

機(jī)械手控制一般是由機(jī)械裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC 和觸摸屏等元件構(gòu)成的一種機(jī)電一體化工業(yè)裝備[1]。其可以代替人手從事一些特殊的、惡劣的環(huán)境生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、裝配、分揀等控制，如沖壓、鍛造、熱處理、噴漆等各個(gè)行業(yè)，特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境顯得尤為重要[2]，機(jī)械手裝配控制更是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線作業(yè)中的典型控制任務(wù)。本文將硬件系統(tǒng)、軟件程序、觸摸屏系統(tǒng)通過組網(wǎng)通信，構(gòu)成一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，旨在將機(jī)械設(shè)備按照用戶的控制要求，有效地運(yùn)行，提高企業(yè)的自動(dòng)化程度，為相應(yīng)行業(yè)的研究提供一個(gè)綜合的應(yīng)用分析。為了使機(jī)械手按照生產(chǎn)實(shí)際的需求完成一定的控制任務(wù)，其設(shè)計(jì)過程應(yīng)包括控制系統(tǒng)的搭建、軟件程序的設(shè)計(jì)、硬件設(shè)備與程序的聯(lián)調(diào)，再加上觸摸屏技術(shù)的快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)是自動(dòng)化控制必不可少的內(nèi)容。

1 機(jī)械手的控制要求及功能分析

該機(jī)械手的任務(wù)是將上一工位加工好的工件與本工位料倉中的工件完成裝配的任務(wù)。機(jī)械手裝配系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手裝配系統(tǒng)

上一工位加工好的工件已經(jīng)放置在了本工位的大料臺(tái)上，本工位有一個(gè)供料機(jī)構(gòu)，自動(dòng)提供待裝配的工件。當(dāng)滿足大料臺(tái)有料、小料臺(tái)有料，機(jī)械手裝置將自動(dòng)動(dòng)作完成抓取、裝配工作。機(jī)械手控制的動(dòng)作過程為：滿足裝配條件，機(jī)械手下降、下降到位抓取本工位的小工件、夾著工件上升、夾著工件伸出、夾著工件下降，下降到大工件的正上方合適的位置處，機(jī)械手松開，小工件在重力作用下裝配到大工件里，完成大、小工件的一次裝配任務(wù)。

為確保機(jī)械手裝配系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：（1）單步運(yùn)行，從初始步開始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手按照順序功能圖的順序執(zhí)行一步動(dòng)作后，停在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕，才執(zhí)行下一步操作，主要用于系統(tǒng)調(diào)試；（2）單周期運(yùn)行，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從初始位置按順序執(zhí)行完一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回并停留在原點(diǎn)位置；（3）連續(xù)運(yùn)行，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從初始步開始完成一個(gè)周期工作后，又開始裝配下一組工件，反復(fù)連續(xù)工作下去，直到按下停止按鈕，當(dāng)前周期執(zhí)行完才停止[3]；（4）監(jiān)控功能，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)；（5）具有對物料不足、系統(tǒng)故障等的報(bào)警功能。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能地使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元器件，以降低成本，提高可靠性[4]。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)裝配的控制要求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試是基于自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)來完成。

2.1 供料機(jī)構(gòu)

供料機(jī)構(gòu)動(dòng)作示意圖如圖2所示。待裝配的小工件放在一個(gè)豎型料倉中，豎型料倉由底座和料倉組成，料倉的側(cè)壁上裝有頂料氣缸和擋料氣缸2個(gè)直線氣缸，2個(gè)氣缸分別由2個(gè)單電控電磁閥驅(qū)動(dòng)，初始狀態(tài)擋料氣缸伸出、頂料氣缸伸出，如圖2（a）所示，擋料氣缸擋著下層的工件不掉落，每個(gè)氣缸上都裝有2個(gè)磁性開關(guān)，共4個(gè)，用于檢測氣缸的伸出、縮回位置。當(dāng)需要落料時(shí)，其過程為：頂料氣缸頂出、擋料氣缸縮回，最底層的工件在重力作用下，落到料盤中，如圖2（b）所示；而后，擋料又伸出，如圖2（c）所示，頂料縮回，工件在重力作用下下落，如圖2（d）所示；最后，頂料再伸出，回到初始狀態(tài)，如圖2（e）所示。供料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作流程用順序功能圖表示，如圖3所示。M0.0是初始步，表示系統(tǒng)的初始狀態(tài)；M0.1為系統(tǒng)動(dòng)作的第一個(gè)階段即第一步；M0.2 為第二步。以此類推，M0.6為最后一步，其動(dòng)作是頂料伸出，伸出到位后回到初始狀態(tài)，頂料氣缸、擋料氣缸均伸出，為下一次落料做好準(zhǔn)備。

圖2 供料機(jī)構(gòu)動(dòng)作

圖3 供料機(jī)構(gòu)順序功能圖

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

為了保證裝配系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，必須使供料及時(shí)，還應(yīng)該有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)把小料提供到機(jī)械手的正下方，以供裝配。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由料盤、氣動(dòng)擺臺(tái)、2個(gè)磁性開關(guān)（檢測料盤位置）、2個(gè)光電開關(guān)（檢測料盤物料有無）等組成。用順序功能圖表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作流程如圖4所示。初始狀態(tài)料盤是左旋到位或是右旋到位狀態(tài)，當(dāng)左料盤有料、右料盤無料時(shí)，料盤就需要旋轉(zhuǎn)，將有料的一側(cè)盤旋轉(zhuǎn)到機(jī)械手下方，以備抓取。

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)順序功能圖

2.3 機(jī)械手裝配機(jī)構(gòu)

機(jī)械手是整個(gè)裝配系統(tǒng)的主要部分，旋轉(zhuǎn)料盤的右側(cè)有小料時(shí)，將其傳送給PLC，裝配臺(tái)的光纖傳感器檢測到有上一工序送來的待裝配的大工件時(shí)，機(jī)械手從初始位置執(zhí)行大小工件的裝配任務(wù)。裝配機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，即水平方向的伸出與縮回、豎直方向的上升與下降、手爪的夾緊與松開，分別由2 個(gè)導(dǎo)桿氣缸和1 個(gè)氣動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)[5]，如圖5 所示。氣缸的伸出行程，也就是機(jī)械手伸出、下降的行程，可調(diào)節(jié)行程調(diào)整板實(shí)現(xiàn)。

圖5 導(dǎo)桿氣缸

右料盤有料且物料臺(tái)有料，PLC 輸出得電，下降電磁閥線圈得電，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手下降，下降到位后，夾緊電磁閥線圈得電，機(jī)械手夾緊，夾著小工件上升，上升到位后，伸縮電磁閥線圈得電，使伸縮氣缸伸出，伸出到位后，再次下降，下降到大工件的正上方時(shí)，夾緊電磁閥線圈失電，手爪松開，小工件落入大工件中，完成一次裝配任務(wù)，隨后機(jī)械手返回至初始狀態(tài)，其控制順序功能圖如圖6所示。

圖6 主程序

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

整個(gè)機(jī)械手裝配系統(tǒng)的各個(gè)部分在PLC 的控制下有條不紊地運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)料盤左邊物料時(shí)，在頂料氣缸與擋料氣缸的合理配合下，完成小工件的自動(dòng)下落。當(dāng)機(jī)械手的正下方?jīng)]有待抓取的工件時(shí)，旋轉(zhuǎn)料盤自動(dòng)實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，將有料的一側(cè)旋轉(zhuǎn)到機(jī)械手的下方，為裝配任務(wù)做好準(zhǔn)備。只要機(jī)械手的正下方有料，裝配臺(tái)上有料，機(jī)械手就自動(dòng)按照動(dòng)作流程，將小工件裝配到大工件中。

3.2 輸入/輸出信號

機(jī)械手裝配系統(tǒng)的輸入信號主要有檢測氣缸位置的磁性開關(guān)、檢測工件有無的光電開關(guān)和光纖傳感器；輸出信號主要是控制各個(gè)氣缸動(dòng)作的電磁閥線圈。輸入、輸出信號的分布情況如表1所示。

表1 機(jī)械手裝配系統(tǒng)輸入/輸出信號分布

3.3 程序結(jié)構(gòu)

機(jī)械手裝配系統(tǒng)的編程分為：供料、旋轉(zhuǎn)和裝配3 個(gè)部分，各部分可以單獨(dú)編程，把各部分的程序放在子程序，在主程序中調(diào)用各子程序，如圖6所示。

編程時(shí)需注意：（1）頂料和擋料氣缸在未通電時(shí)都是伸出狀態(tài)；（2）當(dāng)判斷左側(cè)料盤無料時(shí)，要等待2 s 之后再下料，以免料盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)（未旋轉(zhuǎn)到位）會(huì)檢測到左側(cè)無料而下料，物料落不到料盤中；（3）當(dāng)料倉底層無料時(shí)，讓頂料氣缸縮回，這樣在裝料時(shí)料會(huì)落到擋料板，從而避免裝料時(shí)因頂料氣缸伸出而物料落不到擋料板上；（4）料盤的旋轉(zhuǎn)條件是判斷當(dāng)前料盤是處于左轉(zhuǎn)到位還是右轉(zhuǎn)到位，如果左轉(zhuǎn)到位且左側(cè)有料右側(cè)無料，則料盤右轉(zhuǎn)，反之亦然；（5）在裝配完畢后，仍然要等物料被機(jī)械手拿走后程序才回到初始等待步。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手裝配的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏啟動(dòng)、停止系統(tǒng)運(yùn)行、顯示機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)等功能。選用北京昆侖通泰TCP 7062KS觸摸屏，與S7-200PLC采用串口進(jìn)行通信[6]。

4.1 畫面的設(shè)計(jì)與編輯

監(jiān)控系統(tǒng)首先要設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，在MCGS 嵌入版組態(tài)環(huán)境下，可以建立多個(gè)用戶窗口，進(jìn)入窗口即可進(jìn)行畫面的設(shè)計(jì)。參考設(shè)計(jì)畫面如圖7所示，有機(jī)械手的動(dòng)作狀態(tài)指示，跟隨實(shí)際機(jī)械手的動(dòng)作而動(dòng)作，還畫出了8個(gè)指示燈，分別是上升、下降、伸出、縮回、放松與夾緊6 個(gè)機(jī)械手的動(dòng)作指示燈，當(dāng)機(jī)械手處于何種動(dòng)作，對應(yīng)的指示燈就會(huì)亮，另外2個(gè)是啟動(dòng)按鈕和停止按鈕的狀態(tài)指示。

圖7 機(jī)械手裝配監(jiān)控畫面

4.2 動(dòng)畫連接與調(diào)試

動(dòng)畫連接就是將畫面中的元素與對應(yīng)的變量關(guān)聯(lián)起來，并設(shè)置元素的動(dòng)作類型[7]。在這之前，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)添加了監(jiān)控系統(tǒng)所需的變量，這里的監(jiān)控畫面只需對按鈕和指示燈這兩類元件進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)置。

（1）按鈕的動(dòng)畫連接

雙擊按鈕-操作屬性-勾選數(shù)據(jù)對象值操作-選擇“按1松0”，后邊連接對應(yīng)的啟動(dòng)或是停止按鈕，保存。

（2）指示燈的動(dòng)畫連接

雙擊指示燈，勾選可見度，即“當(dāng)表達(dá)式非零時(shí)”，選擇“對應(yīng)圖符不可見”，設(shè)置完成后點(diǎn)擊保存，退出即可。

4.3 設(shè)備連接與配置

設(shè)備的連接是將監(jiān)控系統(tǒng)中所用到的設(shè)備在這里通過配置建立通訊，包括添加設(shè)備、設(shè)置設(shè)備屬性、調(diào)試設(shè)備3部分。首先，將“通用串口父設(shè)備” 和“西門子S7-200 PPI” 設(shè)備添加到設(shè)備窗口下；再分別設(shè)置 “通用串口父設(shè)備” 和 “西門子S7-200 PPI” 設(shè)備的基本屬性；最后將MCGS變量與PLC通道進(jìn)行連接[8]。

5 結(jié)束語

機(jī)械手裝配系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化流水線作業(yè)中，本文充分利用了PLC強(qiáng)大的控制功能，通過程序，根據(jù)輸入信號的變化，改變輸出驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，也可以方便地根據(jù)用戶需求進(jìn)行控制程序的改進(jìn)，靈活地實(shí)現(xiàn)控制要求。觸摸屏技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)報(bào)警、報(bào)表顯示等功能，增加了系統(tǒng)的可視性。PLC與上位機(jī)觸摸屏建立通信，保證了機(jī)械手裝配各動(dòng)作間的順序邏輯關(guān)系，通過模擬運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性。