帶安全控制的兩自由度搬運機械手設計

李紅斌，徐弈辰

（蘇州健雄職業技術學院，江蘇太倉215411）

帶安全控制的兩自由度搬運機械手設計

李紅斌，徐弈辰

（蘇州健雄職業技術學院，江蘇太倉215411）

通過對機械手裝置的結構組成和控制系統方案分析，氣路及軟件設計，介紹一種基于西門子可編程控制器的帶安全控制的兩自由度搬運機械手，并通過實際交付使用，驗證了該系統的穩定性與安全性。

安全控制；兩自由度機械手；PLC

機械手由于其具有高度的靈活性和高效性，在很多領域得到了廣泛的應用，特別是水平與垂直運動的兩自由度機械手，成本低，效率高，在工業當中應用廣泛。隨之帶來的問題便是安全性的問題，機械手安全性包含兩個方面，設備運行的本體安全性和對操作者自身的安全性。如何設計高效而又安全的機械手，是工業控制領域中十分強調的問題。本文設計了一種機械手，基于西門子PLC控制，并加配皮爾磁安全繼電器與TD400操作屏，操作簡單，穩定性強，安全性高。

1系統組成及功能設計[1]

兩自由度機械手如圖1所示，主要由運動機構與執行機構組成。運動機構包括水平方向與垂直方向的絲杠直線運動機構，分別由兩個步進電機驅動；執行機構包括伸縮氣缸、抓取氣缸和推料氣缸。除此之外，在機械手外圍設置了安全光柵，建立了機械手動作時的安全環境。

圖1 機械手實物圖

機械手的工作模式有“手動模式”和“自動模式”，同時還具備“故障報警”功能。一方面，不管是手動模式還自動模式主要動作有運送、抓取及放置，其要求在硬件安全功能無故障的前提下方可實施動作；另一方面，在其動作實施的過程中，一旦遇到特殊情況和障礙的時候，機械手會立即中斷工作且有故障報警信息，報警信息包括限位故障報警、手動操作報警及回參考點故障報警。

2控制系統方案及硬件組成

控制系統選用西門子S7-200系列的可編程邏輯控制器對其功能動作進行控制，西門子TD400觸摸屏作為人機交互界面，考慮系統對精度要求不高采用步進電機為驅動裝置，將氣動主要用于機械手臂伸縮和抓取和放置功能的驅動上。在安全控制上采用皮爾磁安全繼電器控制，保證系統的安全性。總體控制系統框圖如圖2所示。

圖2 機械手控制系統圖

西門子TD400觸摸屏一種小型緊湊型設備，是一種低成本的人機界面（HMI），使操作員或用戶能夠與應用程序進行交互，它為與S7-200CPU進行界面連接提供了必需的組件。TD400設備允許組態一組層級用戶菜單，為與應用程序交互提供了另一種結構，使其顯示由S7-200CPU中的特定位觸發的報警或消息，同時可以查看、監視和更改應用程序固有的過程變量。

PNOZ X3急停繼電器是用于緊急停止的安全繼電器，帶有繼電器輸出觸點：3個安全觸點（常開）和1個輔助觸點（常閉）；可連接急停按鈕，安全門按鈕和啟動按鈕；電源電壓顯示繼電器狀態顯示，能夠檢測外部保護回路狀態。

3安全設計方案[2]

在實際電路中加入了安全繼電器，氣動壓力開關，急停按鈕等安全裝置，并在機械手外圍加上安全光柵及防護罩等一系列的保護措施，確保機械手工作的安全性。在安全功能上設計采用電與氣結合的安全保護，安全功能見表1.

表1 安全功能

在安全繼電器的應用中采用雙通道輸入工作方式，如圖3雙通道輸入工作方式接線圖所示接電方式在輸入回路有重復接線，即-S21與S31皆接入急停按鈕觸點，當緊急情況下按下急停按鈕，其安全輸出回路斷開，機械手動作停止，起到安全保護的功能。同時雙通道輸入工作方式能判別輸入回路中的接地故障，和按鈕之間的短路故障。

圖3 雙通道輸入工作方式接線圖

4氣路設計

機械手系統中采用了三個氣缸來完成伸縮、抓取和推料的動作，伸縮氣缸和抓取氣缸是雙作用氣缸，由兩個三位五通的雙電控換向閥控制，推料氣缸是單作用彈簧復位式氣缸，由兩位五通單電控電磁閥控制，每個氣缸的控制回路都設置了單向節流閥，具體氣路控制回路如圖4所示。

圖4 X軸電機驅動控制程序

5系統軟件設計

兩自由度搬運機械手系統的控制程序使用主程序和子程序編程，包括主程序及手動控制子程序、自動控制子程序和故障報警顯示子程序，程序結構清晰明了便于修改。

在主程序中，系統使用主開關-Q1接通。在無故障時緊急-關斷-A1將控制主閥門-0V2，使用轉換開關-S3將接通控制，只有當控制“接通”時，如果壓力開關-0B1顯示一個至少5 Pa的額定壓力，手動工作和自動工作的工作狀態才能激活。

在手動模式下，通過觸摸屏可以實現機械手上、下、左、右的點動移動，便于現場的維護與維修控制；自動運行模式可以實現規劃路徑的循環往復運動。

步進電機的控制采用MAP庫功能模塊開控制，X軸電機驅動控制程序如圖4所示，Q0_0 CTRL為控制X軸的步進電機驅動控制，Q2.2為綠色指示燈，代表電機運行的運行狀態，Pulse_EU子程序為變量轉換功能塊，將脈沖量轉換成數字量，并在TD400屏上顯示出實時距離。當發生越限報警時，屏幕會顯示報警信號，清除錯誤后可手動使機械手回到初始位置。

6結束語

基于安全控制而設計的兩自由度搬運機械手控制系統，克服了傳統PLC機械手安全性低等缺點，具有高安全性、平穩性好等優點，能夠較好地完成工業現場的搬運任務。該系統在實際的機械手搬運系統中表現出良好的運行性能和安全性。

[1]陸振先，袁凱，曹瓊興.基于PLC的兩自由度并聯機械手控制系統研究[J].徐州工程學院學報，2014（03）：67-71.

[2]關明，周希倫，馬立靜，等．基于PLC的機械手控制系統設計[J]．制造業自動化，2012，34（7）：120-122．

[3]胡高峰，李占賢，黃金鳳．基于PLC的高速并聯機械手控制技術[J]．機械工程與自動化，2013（3）：147-154．

Design of Two Degree of Freedom Manipulatorw ith Security Control

LIHong-bin，XU Yi-chen
（Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology，Taicang Jiangsu 215411，China）

Through the analysis of the structure and the control system of the manipulator device，by pneumatic system and software design，this paper introduces a kind of two degree of freedom manipulator with safety control based on SIEMENSPLC.And the stability and security of the system are verified by practical application.

security control；two degree of freedom manipulator；PLC

TP242.6

A

1672-545X（2016）12-0144-03

2016-09-03

太倉市科技支撐計劃（工業）項目（TC2014GY14）

李紅斌（1984-），女，廣西賀州人，講師，高級技師，工程碩士，研究方向：自動化控制。