蘇麗++孫蓉++李冰++呂淑平

摘 要：該文根據(jù)系統(tǒng)控制需求，選用西門子S7-200型PLC作為系統(tǒng)的控制器，主要從控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設計和人機監(jiān)控界面三個方面加以論述。首先根據(jù)控制要求完成了機械手控制系統(tǒng)的硬件設計，分為氣動抓取單元、電機驅(qū)動單元和機械傳動結(jié)構(gòu)三個部分，同時完成了對機械手控制系統(tǒng)的其他輔助單元，如自動上料單元、物料傳送單元、伺服轉(zhuǎn)盤單元和觸摸屏控制面板的設計；然后在硬件結(jié)構(gòu)的基礎上結(jié)合控制功能，按照生產(chǎn)工藝順序控制的特點編程實現(xiàn)機械手的精確定位功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)從上料、運輸?shù)綑C械手的抓取、定位等一系列功能的控制；最后利用組態(tài)王完成了控制系統(tǒng)人機界面的設計，使操作人員遠離工作現(xiàn)場仍能實時監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

關鍵詞：機械手 可編程序控制器 精確定位 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0008-04

工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高新技術(shù)發(fā)展最快的領域之一，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。該設計以機械手為主要單元，以提高機械手的精確定位能力為目的，并且加入了自動上料機構(gòu)、物料的調(diào)速運輸以及不同材料的分揀功能，同時還加入了利用觸摸屏對系統(tǒng)進行控制的功能，使設計更加人性化，并提供了多種監(jiān)控方式，增加了機械手的工作能力，提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)，也擴充了系統(tǒng)的工作環(huán)境。

1 機械手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

該設計中選擇了西門子公司的S7-200 CPU 224型可編程序控制器，它是在CPU 222基礎上使主機I/O點增加為14/10，最大可擴展168點數(shù)字量和35點模擬量的輸入輸出，存儲容量也進一步增加，還增加了一些數(shù)學指令和高速計數(shù)器的數(shù)量，具有較強的控制能力，可滿足要求。

1.1 機械手機電系統(tǒng)的設計

1.1.1 氣動抓取單元的設計

機械手抓取單元包括機械手的手指及手臂的設計，其作用是將運輸線的工件進行抓取，并做Y軸升降運動，將工件提升到指定位置。它與機械手定位單元緊密配合完成X-Y軸兩維定位控制。

該設計中機械手的精確定位能力主要集中在X軸方向，故作為輔助部分的機械手手指開合以及Y軸提升采用氣壓驅(qū)動，采用了簡單的二位四通電磁換向閥，并選擇了雙活塞桿氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)以提高其穩(wěn)定性。根據(jù)需求分別配置上下氣缸，行程100 mm；配置氣動手指進行抓物，手指活動范圍30 mm，氣缸換向回路圖如圖1所示。

1.1.2 電機驅(qū)動單元的設計

考慮到該設計主要理念是提高機械手的精確定位能力，故機械手的定位運動采用電機驅(qū)動的方式，以達到設計精度的要求。

本設計采用的電機為兩相混合式步進電機，這主要是考慮到成本方面的問題，但低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，所以必須克服其低速時震動較大、高速性能差的缺欠。對此，本設計采取了細分型驅(qū)動器進行彌補，采用50分單脈沖工作狀態(tài)完全消除了電機的低頻振蕩，提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機的分辨率，減小了步距角，提高了步距的均勻度。本設計

1.2 其他輔助單元的設計

1.2.1 自動上料單元

氣動上料單元是由兩個氣缸、兩個電磁閥和一個減壓閥（與機械手共用）組成，空氣經(jīng)過氣泵的增壓，再經(jīng)過減壓閥、一個電磁閥輸入氣缸，可以驅(qū)動氣缸的動作。推動氣缸動作的是空氣，控制空氣是否進入氣缸的是電磁閥。當傳感器發(fā)出指令，這個開關信號就傳輸?shù)紺PU，CPU發(fā)出命令信號給相應的電磁閥，電磁閥將相應的閥門打開，空氣進入，驅(qū)動相應的氣缸動作。由于雙氣缸可以實現(xiàn)交替動作，從而能夠達到逐一自動上料和儲存任務。

此部分主要完成全系統(tǒng)的自動上料和儲存任務。由于是機械手的輔助單元，因此選擇比較簡單的氣動控制。在此給系統(tǒng)設置一個氣缸也可以完成上料的工作，之所以給系統(tǒng)配置兩個氣缸，是出于對連續(xù)高效工作的要求。同時加入儲料單元也是考慮到在實際生產(chǎn)中，出于對安全等因素的考慮在系統(tǒng)最終上料前再進行一次檢查或處理，以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

1.2.2 物料傳送單元

此單元是先進自動化運動控制系統(tǒng)的基礎單元，它將工件從原始位置運輸?shù)街付ㄎ恢?；此單元配?.5 kW三相交流異步電機，變頻器采用IGBT技術(shù)控制；變頻器具有磁通電流控制FCC，可以與觸摸屏組成控制系統(tǒng)；此單元包括了一條工業(yè)皮帶運輸機，材料選用鋁型材和不銹鋼結(jié)構(gòu)；皮帶運輸機尺寸：1100 mm×150 mm×300 mm，同步帶運行方式；包含張緊、調(diào)偏機構(gòu)。

設計利用運輸小車與傳感器配合進行貨物運輸及檢測。采用三套歐姆龍PR18-8DP型電感式接近開關以完成對小車運行位置的反饋。另外，采用兩套歐姆龍BR4M-TDTD遮斷型光電開關，每套開關有一個發(fā)射器和一個接收器。發(fā)射器和接收器是相對，軸線嚴格對準。當有物體從兩者之間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個電脈沖信號，達到判斷小球是否到達的目的。設計采用的顏色傳感器型號為奧托尼克斯BR100-DDT光電傳感器，內(nèi)裝電源逆連接保護線路、輸出端過電流保護線路，可以調(diào)整對外部的敏感度。這是一種反射鏡反射型傳感器，反射鏡反射型傳感器單側(cè)安裝，需要調(diào)整反射鏡的角度、以取得最佳的反射效果，根據(jù)被檢測物上的黑白標記來檢測。

1.2.3 伺服轉(zhuǎn)盤單元

此單元制作材料為有機玻璃和鋁材材料，采用同步輪傳動方式，配置交流伺服系統(tǒng)，具有速度、模擬調(diào)速、位置、通訊調(diào)速等多種模式；伺服驅(qū)動器采用先進的DSP處理器和高速度數(shù)字邏輯芯片進行控制；電機容量為400 W；額定轉(zhuǎn)矩為1.3 N·m；最大轉(zhuǎn)矩3.9 N·m；額定轉(zhuǎn)速為3000 RPM；電流2.5 A，最大電流7.5 A。設計在此采用歐姆龍生產(chǎn)的PR18-8DP型電感式接近開關以完成對伺服轉(zhuǎn)盤的位置進行檢測。endprint

1.2.4 觸摸屏控制面板

系統(tǒng)可以與觸摸屏組成監(jiān)控控制系統(tǒng)，本設計采用常用的工業(yè)用觸摸屏MT506L，MT500系列觸摸屏是不斷致力于完善PLC人機界面產(chǎn)品的成果。能配合PLC發(fā)揮最佳效果，從而使生產(chǎn)線更有效地工作。32位RISC微處理器、輕觸屏幕，即使最復雜的畫面也能迅即顯示。

2 機械手控制系統(tǒng)軟件設計

機械手控制系統(tǒng)是較為常見的控制系統(tǒng)之一，該設計是通過對PLC的軟件編程實現(xiàn)機械手的精確定位功能。本設計的軟件編寫過程采用了順序控制設計法。圖2是機械手控制部分程序的流程圖。

2.1 物料顏色檢測

機械手控制系統(tǒng)首先要進行的是物料的判斷。也就是顏色檢測，當物料到達指定位置的同時進行顏色判斷，此處判斷物料要同時達到幾個要求，系統(tǒng)運變頻器停止運行，小球到達中間位置傳感器，若為白色將寄存器V2.4置位，若為黑色則將寄存器V2.3置位。

2.2 機械手抓取物料

機械手抓取部分的運行程序分為取料和放料兩部分。首先是取料程序的部分，當機械手運料小車到達指定位置、機械手在指定位置并且小球到達檢測位置。此時電磁閥作用，氣缸給氣，機械手復位，手指打開，定時器經(jīng)過3秒后機械手下降，當機械手下限位響應時機械手手指閉合并在1秒后機械手上升。到達機械手上限位后，步進電機運行。抓取程序如圖3所示。

而機械手放料的階段在步進電機將物料運送到指定位置步進電機停止運行時啟動，和取料時步驟正好相反，首先機械手下降，到達下限位，機械手打開經(jīng)過延時2秒，再提起到達上限位時調(diào)用“步進電機復位”子程序。

2.3 機械手的定位

接下來是本設計的重點，步進電機的編程控制。之所以說這部分程序的編寫是本設計的重點，主要在于此處程序的編寫直接關系到步進電機的運行狀況，間接確定了機械手位置。定位程序如圖4所示。

2.4 裝置復位及應急狀況的處理

由于本裝置要完成連續(xù)不斷的運動，因此程序中各寄存器的復位工作是很必要的，思路基本相同，就是讓裝置在任何狀態(tài)下都可以正常運行。

當設備啟動時，由于運料小車可能不在規(guī)定位置，所以系統(tǒng)開始的同時，直接要求變頻器運行，將運料小車移至左限位位置。

由于這個系統(tǒng)是以步進電機為中心的精確定位系統(tǒng)，步進電機的運行狀況也就顯得至關重要，在這里設計了兩套復位方案。一套稱為軟復位方式，即系統(tǒng)啟動時如果機械手不在規(guī)定位置，則步進電機復位。另一套為硬復位，即當同時按住啟動和停止按鈕時步進電機復位。

3 人機界面的設計

3.1 機械手工作監(jiān)控畫面

在機械手工作監(jiān)控畫面中，本設計根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，設計了形象的畫面。

運料小車與實物同時運動，至中間時位置傳感器發(fā)生響應。當相應傳感器作用時，監(jiān)控軟件有相應的響應，傳感器變?yōu)榫G色。

當運動過程中機械手臂沿X-Y方向移動，并且手指做出開合運動，同時小球在經(jīng)過顏色傳感器判定后，顯示真實顏色。伺服轉(zhuǎn)盤也可以隨實物轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)還給白球儲存管道加入了計數(shù)功能，可以對整個系統(tǒng)運行次數(shù)有所顯示，如圖5所示。

3.2 觸摸屏界面設計

本設計選擇的是MT506L型觸摸屏，為5.7寸四色LCD屏，可以對系統(tǒng)的位置、速度參數(shù)進行監(jiān)控，同時通過界面觸摸按鈕進行啟?？刂谱冾l等操作。

系統(tǒng)配置了3個窗格即主畫面、狀態(tài)畫面和系統(tǒng)信息，在觸摸屏幕上可以通過按鈕進行切換。啟動觸摸屏后首先默認的窗口為主畫面，屏幕只提供對系統(tǒng)的簡單控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的啟?？刂?，并可輸入變頻器的頻率。

位于屏幕右下角的VIEW鍵，可以通過點擊VIEW激活功能窗口，以實現(xiàn)窗口間的切換，如此設計使畫面更加人性化，滿足不同操作者的不同需求，如圖6所示。

觸摸屏的狀態(tài)窗口可以顯示運料小車的運行位置，相對速度，以及變頻器的工作頻率，還可以簡要的監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如圖7所示。

4 結(jié)論

該文主要研究了基于PLC控制步進電機達到精確定位的控制系統(tǒng)設計，完成了機械手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計、機械手控制系統(tǒng)軟件設計、其他輔助單元設計以及監(jiān)控系統(tǒng)設計。在設計中利用西門子S7-200 PLC作為控制器，采用純開環(huán)的定位方式，采用步進電機控制機械手，并使用細分技術(shù)，以滾珠絲杠作為基礎傳動方式，利用組態(tài)王軟件完成了整個監(jiān)控系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了預期的監(jiān)控目的。

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