教學型可編程數字控制機械手設計

崔小松　肖建章

目前,機器人已經廣泛應用于各個領域,其中工業機器人在現代化工業國家正在得到越來越廣泛的應用,各種類型的工業機器人不斷進入市場,這要求有更多掌握機器人技術的人員,能夠正確操作和使用機器人。為了適應這一社會需求,開發模擬工業機器人系統的實驗教學系統就成為緊迫需要。而作為機器人技術、計算機技術及機電一體化技術教育的教學工具,對人才培養和高新技術的推廣應用有著重要的意義。目前市場上所提供的教學型機器人或機械手一般價格在十幾萬元左右,且不具開放性,即用戶只能高端應用而無法根據需要進行多層次開發。因此,研制一種低成本開放性的機械手應用于機電一體化教學實驗是非常必要的。

本文以工業自動化應用中最廣泛的裝配機械手為教學實驗系統的開發目標,以四個自由度機械手為例,研究在PLC 控制下實現手動及自動等多種工作方式,為學習機電一體化技術提供一種理想的教學實驗裝置。

一、系統結構設計

教學型機械手實驗系統作為一種工業機器人系統的模擬系統,首先要在總體結構和控制功能上最大限度地反映實用工業機器人樣機的主要特征,如機電一體化的系統構成方式等,同時能做到結構簡單,操作方便。

根據此設計理念開發的可編程數字控制機械手由人機界面、機械部分和電氣部分三部分組成。整個系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.機械部分

機械部分有兩個直線運動軸,即X、Y軸,兩個旋轉方向,即底座與抓手。X直線軸采用步進電機與梯形螺紋絲桿直接連接;Y直線軸采用伺服電機與梯形螺紋絲桿直接連接;抓手的旋轉用步進電機與汽缸直接連接;底座的旋轉用步進電機通過1:1同步帶輪傳動。另外加上回零、限位及其他附件組成。抓手直接裝到汽缸上,選用不同類型的抓手可以實現移動不同產品的功能。機械部分如圖2所示。

2.電氣部分

電氣控制部分采用西門子S7-200 PLC控制三個步進驅動器和一個伺服驅動器,再由驅動器分別控制三臺步進電機和一臺伺服電機實現機械手直線移動和旋轉動作。各個軸的控制數據由人機界面(觸摸屏)輸入。編輯功能也由人機界面編輯,參數的寫入也通過人機界面。人機界面和PLC通過通訊線實現數據的交換。控制信號由PLC發出,抓手的夾緊、松開通過PLC控制汽缸來實現。

為了實現用一個高速脈沖輸出口Q0.0控制四臺電機,實際項目中,通過具有16個I/O口的EM223來擴展高速脈沖輸出,從而達到控制三臺步進電機和一臺伺服電機速度的目的。

3.人機界面

本設計采用MT500觸摸屏。該觸摸屏具有功能強大的中文編輯軟件,輕松完成復雜的人機界面設計;具有手寫留言板功能,具有實現三級用戶口令保護的功能;具有標準內置的RTC和配方功能,支持一機多屏和一屏多機的系統連接;雙通訊口和獨立的打印接口(MT506產品不支持打印接口);可為OEM用戶的專用控制器開發專門的通訊協議驅動。

人機界面主要是完成對機械手的運行方式的修改、運行參數的設定及修改、運行狀況實施現場監控、報警等功能。

二、系統軟件設計

1.系統功能概述

本系統軟件設計主要完成對機械手的監控及運動方式的設定。機械手運行狀況的監控及運行參數的設定可以由人機界面完成。PLC主要是將人機界面下達的各種指令對機械手進行控制,并將機械手的運行狀態上傳到人機界面。

2.PLC控制程序

根據機械手的工作過程要求,確定各動作的先后順序和相互關系,得出機械手控制流程圖。PLC 控制程序主要有回零方式、手動方式、單步方式、單周方式和自動方式。

另外,為了使機械手始終運行在安全狀態下,四個動作的八個方向都有安全限位,并且對各種報警都有報警提示。為了達到以上控制要求,PLC程序是很復雜的。我們合理地利用了西門子PLC步進編程的優勢,用步進構成整個程序的骨架。然后對于每個骨架分別用基本指令和功能指令完成預定的動作。由于該機械手是典型的位置控制方式,所以在程序上多使用功能指令。這樣由步進指令構建整個程序的骨架,再合理的利用功能指令。使得整個復雜的程序層次分明,更改和調試就變得容易了。

3.人機界面設計

人機界面(觸摸屏)的畫面在其支持軟件上制作,通過軟件工具庫的工具調用以及相關項的設定或通過宏定義可設計出所需畫面。這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用,而觸摸屏與PLC通過RS-485通信電纜連接可實現信息互通。在畫面的設計調試過程中,也可從觸摸屏上傳畫面到計算機對畫面進行修改。圖3為人機界面的一個畫面。

三、機械手實驗

本實驗系統可以滿足PLC、氣壓技術、傳感器技術、機電傳動等課程的實驗要求,開設的實驗有:

認識性實驗:PLC(西門子S7-200)及其軟件、變頻器、電動機、減速器、帶傳動、傳感器、機械手、穩壓電源、空氣壓縮機、氣壓缸、電磁閥等。

應用性實習:邏輯控制、順序控制、定時控制、計數控制、步進控制等。

設計性實習:機械手控制、步進電機及伺服電機的正反轉及調速控制、數碼管顯示控制、檢測剔除控制。

創新性實習:模擬量控制、立體倉庫、步進電機控制、伺服電機控制等。

該實驗裝置系統已研制完成,通過驗收,并且經過學生實習,收到了滿意的效果。

(作者單位:廣東省技師學院)