基于西門子S7- 1200PLC 上下料機械手設計與實現

郭志冬

（三門峽職業技術學院，河南 三門峽，472000）

隨著制造業的快速發展，制造業的企業需要不斷地進行產業升級，不斷提高生產的自動化水平，以逐步適應數字化、網絡化和智能化的發展趨勢。制造業的快速發展依賴于機床特別是數控機床的快速發展，而要提高整個制造業的生產效率，數控機床還需要機器人的配合來完成機床的自動上下料，替代工人在惡劣的工作環境下高效地完成生產任務[1]。機械手是機器人中的一種，能夠模仿人類的手和軀干的一些高難度動作，實現抓取、移動、搬運等工作，能夠代替人工進行重復、單調和高危型的工作。機床和各類生產設備的上下料是一種重復、單調的周期性工作，以往都是使用人工來完成的，不僅生產效率低下，而且存在工作環境惡劣，勞動強度大，安全隱患多等不利的因素。因此，研究機床及生產機械的上下料控制系統代替工人在惡劣的工作環境下，實現重復、穩定和長時間的工作，并且能夠保證高精度和定位準確，具有靈活性和可擴展性等優勢的機械手具有重要的應用價值和實踐意義[2]。

1 上下料機械手總體設計方案

以某生產線的沖壓工藝為例，進行總體方案的設計。沖壓過程一般由多臺沖床構成，進行不同工藝要求的沖壓操作。沖壓線上每一臺沖床之間都有一個檢測中轉臺，用于檢測加工工藝是否合格。本文設計的上下料機械手主要完成沖床到中轉臺再到下一臺沖床的搬運工作[3]。

1.1 機械手動作設計

沖床A，檢測中轉臺和沖床B 三者的中心線直線排列，機械手與此中心線平行的一條機械臂為X 軸作水平移動，Z 軸與X 軸垂直并在X 軸上做上下移動，Z 軸上與X 軸平行懸掛一條軸成天平結構，兩端放置吸盤，能同時在兩個地方實現抓、取動作。

如圖1 所示，為取料的工作示意圖。初始位置Z 軸位于X 軸的左端，懸臂兩端的兩個吸盤位于沖床A 和檢測臺的上方，同時吸取A 工作臺加工好的工件和檢測臺檢測完畢的工件，隨后，Z 軸上升，X 軸左移，Z 軸下降，將檢測好的工件放置在B工作臺進行下一步的工藝加工，同時將上一步加工好的工件放置在檢測臺待檢測，完成整個上下料過程，如圖2 放料過程示意圖所示。該方案的優點是：效率高，采用天平式結構，可以同時抓放兩個工件；動作簡單，只有X 軸和Z 軸的直線運動模式；易于控制，系統穩定性高，可用PLC 直接驅動步進電機驅動器實現兩個方向的運動控制，步進電機及其驅動方案成熟，整體系統穩定型極高[4]。

圖1 直線運動吸取工件示意圖

圖2 直線運動放料過程示意圖

1.2 傳動和吸盤設計

機械手X 軸采用同步帶傳送，原因是：同步帶傳送效率高，無打滑現象；維護保養容易；不易受到干擾，傳輸精度較高。機械手Z 軸采用滾珠絲杠傳動，原因是：精度高，傳輸效率高；噪音低，適用于往返傳動[5]。

吸盤采用電磁式吸盤，適用于鐵磁材料的工件。使用時PLC 通過繼電器控制電磁吸盤，通電后，產生電磁場吸取工件；斷電后，磁場消失，放回工件[6]。

2 硬件系統方案設計

本系統的硬件組成包括PLC、步進驅動+步進電機、繼電器、電磁吸盤、光電限位開關等組成。硬件結構圖如圖3 所示[7]。

圖3 系統硬件結構示意圖

硬件系統中兩個主要器件如下：

2.1 PLC 主機：采用西門子S7-1200 系列的CPU1215CDC/DC/DC。該PLC 具有125KB 工作存

儲器；24VDC 電源，板載DI14×24VDC 漏型/源型，板載DQ10×24VDC 及AI2 和AQ2；板載6 個高速計數器和4 個脈沖輸出；信號板擴展板載I/O；多達3 個用于串行通信的通信模塊；多達8 個用于I/O 擴展的信號模塊；0.04ms/1000 條指令；2個PROFINET 端口，用于編程、HMI 和PLC 間數據通信。主要用于實現各種執行單元的控制。

2.2 步進驅動及步進電機：

由于該機械手結構為簡單的直線運動，負載小，受力小；運行速度要求不高，沒有高速和低速的要求，同時采用步進電機驅動負載的成本要低于伺服驅動控制，因此采用步進電機進行驅動[8]。在此，我們采用兩相混合式步進電機。X 軸采用57CM23，Z 軸采用57HS22-S 帶剎車功能的步進電機。步進電機驅動器采用DM542，該驅動器為32 位DPS 處理技術，有細分設置和電流設計，滿足本設計的各項要求，同時，該驅動器具有穩定性高，噪音小，性價比高等優點[9]。

3 軟件系統設計方案

3.1 本系統的機械手運動軌跡圖如圖4 所示。

圖4 機械手運動軌跡示意圖

4 PLC 程序流程

PLC 程序流程如圖5 所示

圖5 PLC 程序控制流程圖

5 結語

從事制造業的企業要實現轉型升級，則必須更換更新自動化和數字化的生產設備以提高生產效率。本文的設計就是為了減輕沖壓生產線上工人的工作量，實現了自動上下料操作，極大地提高生產效率，降低生產成本。通過機械臂和吸盤在PLC 及步進電機的驅動及控制，配合定位和檢測等傳感設備，完成了該自動控制[10]。該設備體積小，可改造性和可調范圍更高，采用天平結構，效率更高，操作簡單，性價比高。本設計對于中小企業轉型升級實現自動化改造有一定的應用及推廣價值。