靳 宏，左右祥

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510925；2.中導(dǎo)光電設(shè)備股份有限公司，廣東 肇慶 526238）

氣動(dòng)機(jī)械手是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使用壓縮空氣作為傳輸介質(zhì)，具有反應(yīng)速度快、綠色無(wú)污染、低價(jià)高效率和穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1]。

本設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)以S7-200 SMART PLC為核心控制器，可以使機(jī)械手完成上下、左右、伸縮和抓緊松開(kāi)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件物料的搬運(yùn)。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由基座平臺(tái)、升降系統(tǒng)、伸縮手臂和氣動(dòng)手指4部分組成?；脚_(tái)由擺動(dòng)氣缸和支撐平臺(tái)構(gòu)成，主要任務(wù)是支撐和左右轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手；由薄型氣缸和提升機(jī)構(gòu)構(gòu)成的提升系統(tǒng)，完成在基座上做上下直線運(yùn)動(dòng)；由手臂伸縮氣缸構(gòu)成的伸縮手臂完成手臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)；由氣動(dòng)手指及其夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零件的夾緊或放松。氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的核心控制器選用S7-200 SMART 200 ST40 DC/DC/DC PLC，利用磁性開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)到位情況，用光電開(kāi)關(guān)作為物料有無(wú)的信號(hào)檢測(cè)。

PLC編程控制電磁換向閥的閥芯位置，進(jìn)而可改變壓縮空氣的流通方向，氣缸的運(yùn)動(dòng)方向也隨之改變。通過(guò)氣缸的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下、左右、伸縮、抓緊和松開(kāi)等動(dòng)作。

氣動(dòng)系統(tǒng)由空壓機(jī)等氣源系統(tǒng)，單電控和雙電控電磁換向閥等氣動(dòng)控制元件，薄型氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣動(dòng)手指和標(biāo)準(zhǔn)氣缸等作為氣動(dòng)執(zhí)行元件，以及氣動(dòng)三聯(lián)件、快速排氣閥等各種氣動(dòng)輔助元件組成[3]。

2 傳感器設(shè)計(jì)選型

2.1 磁性開(kāi)關(guān)

該設(shè)計(jì)所選用的氣動(dòng)執(zhí)行元件的到位信號(hào)傳感器都是磁性開(kāi)關(guān)。各個(gè)氣缸的缸筒選用導(dǎo)磁性弱、隔磁性強(qiáng)的材料，如硬鋁、不銹鋼等?；钊欠谴判泽w，上面安裝一個(gè)永久磁鐵的磁環(huán)。磁性開(kāi)關(guān)安裝在氣缸外側(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)磁環(huán)的磁場(chǎng)來(lái)間接檢測(cè)氣缸的活塞位置[2]，如圖2所示。

圖2 磁性開(kāi)關(guān)檢測(cè)活塞位置原理示意圖

觸電斷開(kāi)或閉合的信號(hào)發(fā)給PLC，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸位置的監(jiān)測(cè)，通過(guò)與觸點(diǎn)處于正邏輯關(guān)系的LED的亮滅可以實(shí)時(shí)觀測(cè)觸點(diǎn)或者活塞的位置，方便調(diào)試。磁性開(kāi)關(guān)傳感器的內(nèi)部電路情況和圖形符號(hào)如圖3所示。

圖3 磁性開(kāi)關(guān)傳感器的內(nèi)部電路情況及圖形符號(hào)

2.2 光電開(kāi)關(guān)

光電傳感器是利用光的各種特性來(lái)檢測(cè)有無(wú)物體、物體表面變化情況等的傳感器。其中輸出信號(hào)是開(kāi)關(guān)量的光電傳感器，稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)[4]。

光電開(kāi)關(guān)由光發(fā)射器和光接收器2部分組成。漫反射式光電開(kāi)關(guān)的光發(fā)射器與光接收器處于同一側(cè)，且集成一為體。投光部發(fā)射出的光線照射到被測(cè)物體上后，反射回來(lái)的光線被受光部接收到并使開(kāi)關(guān)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。漫反射式光電開(kāi)關(guān)工作原理示意圖如圖4所示。

圖4 漫反射式光電開(kāi)關(guān)工作原理示意圖

該控制系統(tǒng)中，用來(lái)檢測(cè)有無(wú)工件的光電開(kāi)關(guān)是一種漫反射式的光電開(kāi)關(guān)。選用型號(hào)為OMRON（歐姆龍）公司的CX-441（E3Z-LS63）。該光電開(kāi)關(guān)能同時(shí)把工件有無(wú)信息傳送給PLC，方便進(jìn)行動(dòng)作模式調(diào)試和檢測(cè)距離調(diào)試。該光電開(kāi)關(guān)的外觀圖如圖5所示。圖中動(dòng)作轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是進(jìn)行動(dòng)作模式調(diào)節(jié)，靈敏度旋鈕用來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)距離。

圖5 E3Z-LS63型光電傳感器

3 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1 電氣設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)需11個(gè)輸入量，9個(gè)輸出量，選用了S7-200 SMART系列PLC的SMART 200 ST40 DC/DC/DC。該型號(hào)的CPU具有24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)晶體管輸出點(diǎn)位，在滿足當(dāng)前點(diǎn)位需求的同時(shí)也方便后續(xù)的擴(kuò)展使用。

控制系統(tǒng)的I/O控制點(diǎn)位分布見(jiàn)表1，電氣連接圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)電氣連接圖

表1 控制系統(tǒng)的I/O控制點(diǎn)位分布表

CPU的輸入信號(hào)，包括來(lái)自三線制的物料檢測(cè)傳感器BG1，檢測(cè)氣缸到位情況的二線制的磁性開(kāi)關(guān)，以及控制系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)位按鈕SB1、啟動(dòng)按鈕SB2和急停按鈕QS。

CPU的輸出信號(hào)，有控制抬升機(jī)構(gòu)升降和手臂伸縮的單電控電磁閥，控制回轉(zhuǎn)氣缸左右旋轉(zhuǎn)和手爪松緊的雙電控電磁閥，以及顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)備就緒指示燈HL1、運(yùn)行指示燈HL2和停止指示燈HL3。

3.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工作要求和I/O分配表，進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)和編輯。程序先進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)自查，滿足啟動(dòng)條件且啟動(dòng)按鈕被按下后，系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程被分成了5步。如圖7所示。

圖7 程序主要步驟

4 系統(tǒng)工作過(guò)程測(cè)試

完成以上設(shè)計(jì)系統(tǒng)的機(jī)械和電氣安裝后，下載程序進(jìn)行系統(tǒng)工作調(diào)試，調(diào)試過(guò)程如下。

1）設(shè)備上電和氣源接通后，按下復(fù)位按鈕執(zhí)行復(fù)位操作，使各個(gè)氣缸滿足初始位置的要求，復(fù)位完成，就緒指示燈常亮，表示系統(tǒng)準(zhǔn)備好。（注：氣缸初始位置是指提升氣缸在上限位，擺動(dòng)氣缸在右限位，伸縮氣缸在縮回狀態(tài)，氣動(dòng)手指在松開(kāi)狀態(tài)。）

2）當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，就緒指示燈滅，啟動(dòng)燈常亮，開(kāi)始進(jìn)入正常工作過(guò)程。

3）正常工作動(dòng)作過(guò)程示意圖如圖8所示：①右側(cè)料臺(tái)上有料，抓取機(jī)械手裝置伸出手臂，基座下降，從供料站出料臺(tái)抓取工件；②抓取動(dòng)作完成后，基座上升，機(jī)械手縮回，左轉(zhuǎn)；③到達(dá)取料站物料臺(tái)的正上方后，基座下降，手臂伸出，手爪松開(kāi)把工件放到左側(cè)取料站物料臺(tái)上；④放下工件動(dòng)作完成后，機(jī)械手手臂縮回，基座上升，擺臺(tái)右轉(zhuǎn)；⑤一個(gè)工作周期結(jié)束，當(dāng)供料臺(tái)有物料則自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

圖8 機(jī)械手正常工作動(dòng)作過(guò)程示意圖

4）系統(tǒng)停止。若在工作過(guò)程中按下急停按鈕，則系統(tǒng)立即停止運(yùn)行，啟動(dòng)燈滅，停止燈亮起。再次按下啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)從停止前的斷點(diǎn)開(kāi)始繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC控制、壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手具有綠色環(huán)保、低價(jià)高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且安全穩(wěn)定等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)把工件從右邊物料臺(tái)送往左邊工作臺(tái)的自動(dòng)、周期性運(yùn)行。物料監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)和各個(gè)氣缸處的到位磁性開(kāi)關(guān)可實(shí)時(shí)反饋機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)給PLC。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手控制系統(tǒng)能夠按照生產(chǎn)要求平穩(wěn)運(yùn)行、可靠工作。