機械手系統(tǒng)設(shè)計

郭 迪 李小斌 汪 斌

（寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西 寶雞721016）

機械手是一種在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中具有抓取和移動工件功能的自動化設(shè)備，它是一種在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的新型設(shè)備。機械手可以代替員工進行一些危險、枯燥的工作，在緩解工人勞動強度的同時提高生產(chǎn)效率[1]。隨著其控制技術(shù)的成熟及成本的降低，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普及，這也促使各大高校在機器手的研究和教學方面越來越重視。這里給出一種基于西門子S7-1500 型PLC 的簡易低成本教學機械手系統(tǒng)實現(xiàn)方案，該方案不僅可以使學生了解機械手的工作過程，也可以作為學生機電一體化控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計訓練。

1 機械手的組成結(jié)構(gòu)及控制過程

如圖1 所示，機械手主要由底座、立柱、伸縮臂、升降臂和手抓組成。機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，起支撐和連接的作用[2]。其任務(wù)是將物料從A 傳送帶上的搬運到B 傳送帶的上。

具體工作過程如下：上電時，所有氣缸恢復起始位置，手部夾持氣缸處于松開狀態(tài)，手臂處于縮回狀態(tài)，升降氣缸處于縮回狀態(tài)。當A 傳送帶上的物料到達時，傳感器檢測到物料信號并控制傳送帶A 暫停，同時伸縮臂氣缸下降，手抓氣缸加緊物料，然后伸縮臂氣缸上升，A 傳送帶工作，手臂氣缸伸出，升降氣缸再下降，將物料放置到B 傳送帶，然后夾持氣缸松開物料，所有氣缸復位，完成一次物料搬運。然后，當A 傳送帶上再次送來物料時，系統(tǒng)重復完成上述動作，從而時限將傳送帶A 上的物料全部搬運到傳送帶B 上。這里機械手控制方式有手動控制模式和自動循環(huán)控制模式可供選擇。

圖1 機械手動作過程

圖2 控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 機械手的氣動系統(tǒng)設(shè)計[3]

機械手的所有動作采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)，氣壓傳動系統(tǒng)工作原理是由空氣壓縮機（排氣壓力大于0.4～0.6MPa）產(chǎn)生氣源，通過快換接頭進入儲氣罐，然后經(jīng)氣動三聯(lián)件（干燥器、調(diào)壓閥、油霧器）將分水過濾后進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。系統(tǒng)涉及到的元器件有氣源空氣壓縮機、氣動三聯(lián)件、二位五通電磁閥、節(jié)流閥、氣缸等等。

2.2 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計

機械手的控制系統(tǒng)如圖2 所示。控制器選用西門子S7-1500 型PLC，接收各個傳感器及控制按鈕的輸入信號，同時將其處理后，發(fā)出相應(yīng)輸出信號控制各個電磁閥工作，以控制相應(yīng)氣缸動作。觸摸屏也可代替控制按鈕實現(xiàn)控制指令的發(fā)送，同時也可實現(xiàn)機械手工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。計算機主要用于PLC 程序開發(fā)和系統(tǒng)在線調(diào)試。

（1）機械手PLC 的I/O 分配。系統(tǒng)I/O 分配使系統(tǒng)每一個動作都可以采用按鈕手動操作，自動、手動模式切換采用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，伸縮氣缸和升降氣缸分別設(shè)有限位保護SQ1～SQ4，工件到位采用光電傳感器G 檢測。伸縮氣缸、下降氣缸以及手抓氣缸分別采用電磁閥YA1、YA2、YA3 控制。上電及運行狀態(tài)均有指示燈指示。（2）系統(tǒng)PLC 外部接線圖。機械手控制系統(tǒng)PLC 外部電氣接線采用西門子S7-1500 型PLC, 主要由電源模塊、CPU模塊、輸出模塊、輸入模塊組成，電源通過背部總線給各模塊供電，同時各模塊通過背部框架總線進行相互通信。PLC 電源為24V 直流電，電磁閥、指示燈均為直流24V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC 控制程序設(shè)計

西門子S7-1500 系列PLC 使用的編程軟件是TIA Portal 軟件，它是完全集成的自動化軟件，是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的全新集成自動化軟件。它是業(yè)界首款具有統(tǒng)一工程和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，適用于幾乎所有自動化任務(wù)，本文所采用的是TIA 博途V14。

機械手控制系統(tǒng)上電后處于待機狀態(tài)（同時上電指示燈亮）；按下啟動按鈕后，系統(tǒng)運行指示燈亮；此時可以選擇手動運行模式或自動運行模式。當轉(zhuǎn)換開關(guān)SA 打在手動運行模式時，則自動模式關(guān)閉，只能進行手動操作，通過每一個控制按鈕或觸摸屏按鈕操作機械手的每個動作。當選擇自動運行模式時，工件檢測傳感器檢測到工件到來時，A 傳送帶暫停，機械手臂下降，手臂下降到位后，手抓執(zhí)行夾緊動作，2S 后手臂上升。手臂上升到位后伸出，伸出到位后手臂下降，下降到位后手抓執(zhí)行松開動作，將工件放到B 傳送帶上，2S 后手臂上升，上升到位后手臂縮回復位，等待下一個工件到來。

3.2 人機界面設(shè)計

人機界面（HMI）選用的觸摸屏為北京昆侖通態(tài)觸摸屏（MCGS），型號是TPC7062Ti。其設(shè)計過程如下。

（1） 建立工程。建立新工程，選擇觸摸屏的型號為TPC7062Ti，調(diào)節(jié)背景色等。（2）設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置。從工作臺窗口進入設(shè)備窗口進行設(shè)備組態(tài)，點擊設(shè)備管理，選擇通訊屬性。本文選擇通用TCP/IP 父設(shè)備；其次選擇對應(yīng)的控制設(shè)備本文選擇設(shè)備Siemens_1500，設(shè)備組態(tài)完成后，進行參數(shù)設(shè)置。（3）實時數(shù)據(jù)庫建立。根據(jù)組態(tài)的需要，建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，單擊新增對象，設(shè)置對象的名稱及數(shù)據(jù)類型。（4）機械手組態(tài)畫面設(shè)計。在工作臺窗口選擇用戶窗口，新建立窗口，并命名為“機械手控制系統(tǒng)”。打開“機械手控制系統(tǒng)”窗口，進行畫面設(shè)計。根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置顯示、監(jiān)控、控制的據(jù)圖參數(shù)。（5）觸摸屏和PLC 通信設(shè)置。西門子S7-1500 PLC 和MCGS 觸摸屏實現(xiàn)通信，需對PLC 的IP地址進行設(shè)置，PLC 的IP 地址應(yīng)和觸摸屏、計算機的IP 地址處于同一子網(wǎng)內(nèi)，即PLC 的IP 地址為192.168.1.153。PLC 的連接機制應(yīng)選擇允許來自遠程對象的PUT/GET 通信訪問。

3.3 運行效果

觸摸屏不僅可以監(jiān)控機械手的運行，還可以對其進行控制，整個系統(tǒng)通電后，在觸摸屏的監(jiān)視畫面上，電源指示燈亮。按下啟動按鈕后，運行指示燈亮。選擇運行模式，進行操作。當切換開關(guān)打到垂直位置時，系統(tǒng)運行在自動模式，實現(xiàn)自動將傳送帶上的物料不停搬運到傳送帶B 上；當系統(tǒng)運行在手動模式時，按下手動操作模塊的各個按鈕，可完成相應(yīng)執(zhí)行動作。該模塊不僅可以實現(xiàn)單步運行，還可用于各個動作的狀態(tài)檢查。

4 結(jié)論

本文給出了簡易機械手系統(tǒng)的完整實現(xiàn)方案，該系統(tǒng)包括了氣動系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)以及觸摸屏的具體設(shè)計方法，將其引入到自動化、控制類專業(yè)教學中，作為工程案例教學或綜合項目教學，可以達到專業(yè)綜合訓練的目的，同時可減少設(shè)備投資，激發(fā)學生學習興趣。