邱海強(qiáng)

（廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024）

工程技術(shù)與應(yīng)用

氣動(dòng)式智能機(jī)械手的設(shè)計(jì)

邱海強(qiáng)

（廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024）

該項(xiàng)目可用于學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程器件的感性認(rèn)識(shí)，能真實(shí)地反映工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。并實(shí)現(xiàn)三個(gè)結(jié)合：將工作任務(wù)與學(xué)習(xí)任務(wù)相結(jié)合、工作過(guò)程與學(xué)習(xí)過(guò)程相結(jié)合、工作內(nèi)容與學(xué)習(xí)內(nèi)容相結(jié)合。有利于提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力，教學(xué)真正做到學(xué)以致用。該項(xiàng)目以空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力源，用氣缸構(gòu)成機(jī)械手，利用上位機(jī)發(fā)出指令，PLC控制電磁閥動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成工藝加工流程。項(xiàng)目極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，真正做到教學(xué)做一體和工學(xué)結(jié)合。

學(xué)以致用；機(jī)械手；工學(xué)結(jié)合

1 引言

氣動(dòng)式智能機(jī)械手可依據(jù)需要自動(dòng)完成物件抓取和搬移。系統(tǒng)以觸摸屏為上位機(jī)、PLC為控制器、氣動(dòng)機(jī)械手為受控對(duì)象，上位機(jī)發(fā)出指令去控制下位機(jī)，下位機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成相關(guān)作業(yè)，利用上下位機(jī)的雙向通訊對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)控以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互目的。

項(xiàng)目研究意義是針對(duì)勞動(dòng)密集型企業(yè)有許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用人工操作，效率及產(chǎn)能不高，如果能以機(jī)械手代替人工作業(yè)，可以對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。這將有利于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、節(jié)約人力成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工效，也有利于實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制形成柔性生產(chǎn)線，順利地完成生產(chǎn)任務(wù)。

項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)機(jī)械手及上、下位機(jī)的工作程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂通過(guò)坐標(biāo)位置完成復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中物件抓舉和搬移，布局簡(jiǎn)略、運(yùn)動(dòng)直觀，它采用上、下升降臂加上平移結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，而電磁閥由PLC控制，而PLC又接收上位機(jī)的指令，按指令要求完成相關(guān)的工藝過(guò)程，研究成果為接近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的氣動(dòng)式智能機(jī)械手設(shè)計(jì)。

2 《氣動(dòng)式智能機(jī)械手》硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)的制作

首先，利用30*30（cm）的鋁合金制作一個(gè)長(zhǎng)0.6米,寬0.5米,高0.4米的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)前面做個(gè)20cm*30cm框架安放觸摸屏，在水平機(jī)架上方安裝一個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為60*36*2(cm)的生態(tài)板，在木板上安放過(guò)濾器、電磁換向閥、機(jī)械手（三個(gè)氣缸組成）等相關(guān)器件及緊固件。后面垂直機(jī)架上安裝一個(gè)長(zhǎng)、寬、高60*40*2（cm）的生態(tài)板，安放一個(gè)電源開關(guān)、二個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源，一個(gè)PLC及四個(gè)線槽。所有的部件與生產(chǎn)線上的相關(guān)部件類似，學(xué)生可以看到實(shí)實(shí)在在控制部件如氣缸、空氣過(guò)濾器、氣缸位置檢測(cè)傳感器，電磁換向閥等。

2.2 硬件制作與配置

機(jī)械手由三個(gè)氣缸組合而成，一個(gè)完成機(jī)械手的上升和下降動(dòng)作，一個(gè)完成機(jī)械手的左右移動(dòng)，還有一個(gè)氣缸完成物件的抓舉動(dòng)作，三個(gè)氣缸使用兩塊尼龍板連接而成。實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下動(dòng)作和左右動(dòng)作的兩個(gè)氣缸由一塊6*10*0.5（cm）尼龍板連接而成，板上有三個(gè)連接孔位采用4*6的螺絲緊固，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓舉動(dòng)作與左右移動(dòng)的兩個(gè)氣缸由4*6*0.5（cm）的尼龍板連接而成，板有兩個(gè)連接孔位采用4*6的螺絲緊固。

具體配置如下：7寸臺(tái)灣產(chǎn)威綸觸摸屏TK6070iQ一臺(tái)，方形氣缸Sc40*75-s一個(gè)，扁形氣缸TN16*75一個(gè)，手爪MHZ2-16D一個(gè)，磁性開關(guān)：Cs1-J二個(gè)，D-A93二個(gè)，Pc6-02二個(gè)，過(guò)濾器AC2010-02一只，節(jié)流閥：AS1201F-M5-06四只，Zsl6-02二只，電磁閥：4V230-08二只，4V210-08一只，PLC：FX1s-20MR一臺(tái)，匯流排200M-3F一只，空壓機(jī)OTS-550型0.7MPa一臺(tái)，金屬物料采用鋁錠加工5*3*2（cm）1只，非金屬物料采用塑膠加工 5*3*2（cm）2只，空氣開關(guān)DZ47-63/C6一個(gè)，開關(guān)電源NES-35-24二個(gè)。

2.3 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)

機(jī)械手升降使用一個(gè)雙作用氣缸（Sc40*75-s），采用五通三位雙線圈電磁閥（4V230-08）驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手左右位移也采用一個(gè)雙作用氣缸（TN16*75），采用五通三位的雙線圈電磁閥（4V230-08）驅(qū)動(dòng)；機(jī)械手的抓舉動(dòng)作，使用一個(gè)單作用氣缸（MHZ2-16D），采用五通二位的單線圈電磁閥（4V210-08）驅(qū)動(dòng)。氣源來(lái)自一個(gè)空壓機(jī)，在空壓機(jī)與換向電磁閥之間接有一個(gè)氣動(dòng)三元件，完成空氣過(guò)濾、壓力調(diào)節(jié)、油霧濾除等。[1]

為防止電磁換向閥工作時(shí)干擾觸摸屏工作，采用兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)穩(wěn)壓電源分別給觸摸屏及電磁換向閥線圈供電，兩者的供電電壓均為直流24伏。

3 《氣動(dòng)式智能機(jī)械手》軟件設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面（觸摸屏）與組態(tài)軟件的概述

觸摸屏是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，用以實(shí)現(xiàn)操作人員與PLC之間的對(duì)話。利用專用組態(tài)軟件在PC機(jī)上對(duì)將使用的觸摸屏的畫面及畫面中的各元素進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)完畢下載到觸摸屏中，操作人員就可以通過(guò)屏上的圖形按鈕控制PLC運(yùn)行相應(yīng)的工作程序，從而控制機(jī)械手依據(jù)需要工作在不同的狀態(tài)。[2]

觸摸屏與PLC的通信通過(guò)串行口進(jìn)行，觸摸屏中安裝有操作系統(tǒng)，其核心部件是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的載體就是外部變量，通過(guò)外部變量可以把觸摸屏與PLC實(shí)時(shí)對(duì)接。機(jī)械手的運(yùn)行位置，通過(guò)傳感器反饋給PLC，再由PLC送給觸摸屏，以便監(jiān)視作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

觸摸屏的使用實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的良好界面，不僅給操作人員提供方便，也減小了外部接線，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 觸摸屏畫面及畫面中各元素組態(tài)

3.2.1 觸摸屏的畫面組態(tài)

利用PC機(jī)打開組態(tài)軟件，并利用組態(tài)軟件在PC機(jī)上組態(tài)六幅畫面，分別為初始畫面、機(jī)械手工作模式切換畫面、手動(dòng)控制畫面、機(jī)械手回原點(diǎn)控制畫面、機(jī)械手單周期控制畫面、機(jī)械手單步畫面，并在每一幅畫面上組態(tài)相應(yīng)的畫面切換按鈕、動(dòng)作控制按鈕、機(jī)械手工作方式切換鈕、返回首頁(yè)按鈕及狀態(tài)指示燈。

每一幅畫面之間可相互切換，每幅畫面的背景可在圖庫(kù)中任意選擇，在組態(tài)畫面時(shí)選擇添加畫面就可以，在PC機(jī)中將組態(tài)好的各個(gè)畫面下載到觸摸屏中，給觸摸屏供電并開機(jī)就可以在觸摸屏中看到各個(gè)已組態(tài)好的工作畫面。此時(shí)用通訊線將觸摸屏與PLC連接在一起，就能在兩者間傳送指令與回傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。[3]

3.2.2 觸摸屏畫面按鈕及指示燈的組態(tài)

1）畫面切換鈕的組態(tài)：

利用工具欄中的功能鍵，進(jìn)入元件屬性選擇窗口，在一般屬性選項(xiàng)卡中設(shè)置按鈕功能為切換窗口，并設(shè)置好切換到第幾號(hào)窗口，在圖片選項(xiàng)卡中，選中圖庫(kù)中的合適的按鈕外形和顏色。

在標(biāo)簽選項(xiàng)卡中，選擇好圖形按鈕的字體內(nèi)容、字號(hào)后，點(diǎn)擊確定就組態(tài)好一個(gè)按鈕，其它每幅畫面中的切換按鈕如：回原點(diǎn)按鈕、自動(dòng)按鈕、手動(dòng)按鈕、單周期按鈕、單步按鈕都是畫面切換按鈕，組態(tài)過(guò)程一樣，只不過(guò)是切換到畫面的編號(hào)和文本不一樣而已。

2）畫面控制按鈕的組態(tài)：

點(diǎn)擊元件菜單，會(huì)出現(xiàn)下拉菜單，選擇開關(guān)，再點(diǎn)擊狀態(tài)設(shè)置命令，會(huì)彈出1個(gè)位狀態(tài)設(shè)置元件屬性窗口，在一般屬性選項(xiàng)卡中選擇好按鈕對(duì)應(yīng)的外部變量的地址，這個(gè)地址（如M0）就是PLC的儲(chǔ)存器地址，再點(diǎn)擊圖片選項(xiàng)卡，在圖庫(kù)中選擇好按鈕的外形及外觀顏色，其它選項(xiàng)卡采用系統(tǒng)默認(rèn)則可。

在開關(guān)屬性文本框中要選擇好開關(guān)的類型，按實(shí)際的使用需要而定，有多種類型可供選擇，這里的回原點(diǎn)模式按鈕為復(fù)歸型（點(diǎn)動(dòng)性質(zhì)），其它選項(xiàng)為默認(rèn)。這樣按鈕的組態(tài)完畢，其它畫面中的不同按鈕可依據(jù)此方法進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，當(dāng)點(diǎn)擊屏上的按鈕，就能改變這個(gè)外部變量的狀態(tài)，從而控制程序的運(yùn)行狀態(tài)。

3）指示燈的組態(tài)過(guò)程：

點(diǎn)擊元件菜單，會(huì)出現(xiàn)下拉菜單，選擇指示燈，再單擊位狀態(tài)指示會(huì)彈出1個(gè)位狀態(tài)指示燈元件屬性窗口，在一般屬性選項(xiàng)卡中選擇指示燈對(duì)應(yīng)的外部變量的地址，這個(gè)地址（Y0）就是PLC的儲(chǔ)存器地址。

再點(diǎn)擊圖片選項(xiàng)卡，在圖庫(kù)中選擇好指示燈的外形及不同狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的顏色，其它選項(xiàng)卡采用系統(tǒng)默認(rèn)則可，這樣指示燈的組態(tài)完畢，當(dāng)PLC程序運(yùn)行過(guò)程中，這個(gè)位地址發(fā)生變化時(shí)，會(huì)把信息送給屏上組態(tài)好的圖形指示燈。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

圖3-1

機(jī)械手是PLC的被控對(duì)象，主要完成對(duì)工件的抓舉和搬移，機(jī)械手設(shè)置有五種工作方式，分別是原點(diǎn)回歸工作方式、手動(dòng)控制方式、單步運(yùn)行方式、單周期運(yùn)行方式、自動(dòng)運(yùn)行方式，PLC程序設(shè)計(jì)要能控制機(jī)械手完成上述五種工作方式的實(shí)現(xiàn)，這些工作方式既能提供發(fā)生緊急情況時(shí)處理措施，又能為程序調(diào)試操作提供便利。

其中手動(dòng)控制主要用于系統(tǒng)檢修和測(cè)試，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)所涉及到的環(huán)節(jié)都正常時(shí)，自動(dòng)控制方式才能運(yùn)行，自動(dòng)工作方式是機(jī)械手智能運(yùn)行的核心，通過(guò)編寫自動(dòng)程序才能實(shí)現(xiàn)工藝流程的自動(dòng)化作業(yè)，使機(jī)械手代替人工操作成為可能，從而提高工效。機(jī)械手處于零點(diǎn)位置才能啟動(dòng)自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)工作，如不在零點(diǎn)可以啟動(dòng)自動(dòng)回原點(diǎn)程序或手動(dòng)程序讓機(jī)械手處在原點(diǎn)位置。程序設(shè)計(jì)流程如圖3-1所示。

3.4 I/O接線圖

如圖3-2所示：

圖3-2 I/O接線圖

3.5 PLC通訊參數(shù)的設(shè)定

打開PLC編程軟件，右鍵單擊菜單中的PLC選項(xiàng)，在跳出的子菜單中選擇串行口設(shè)置，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)通訊參數(shù)設(shè)置畫面，在每個(gè)文本框中逐一輸入7個(gè)數(shù)據(jù)位，采用偶校驗(yàn)，1個(gè)停止位，通訊速率為9600bps，其它采用默認(rèn)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

依托這套設(shè)備，學(xué)生可以通過(guò)外部按鈕控制PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)回原點(diǎn)運(yùn)行、單周期運(yùn)行、單步運(yùn)行等工作模式。同時(shí)還可利用這套設(shè)備學(xué)習(xí)組態(tài)軟件的使用，學(xué)會(huì)利用通過(guò)觸摸屏控制PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各種工作狀態(tài)，充分利用上位機(jī)制作各種工作畫面來(lái)監(jiān)視機(jī)械手的各個(gè)工作過(guò)程。

學(xué)生還可以了解氣動(dòng)控制元件構(gòu)造、動(dòng)作過(guò)程、連接形式，學(xué)會(huì)依據(jù)負(fù)載需要選擇器件的類型，會(huì)設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路。這套設(shè)備還可以與前期制作的《物料判別與傳送》設(shè)備進(jìn)行有效對(duì)接，使用機(jī)械手將工件搬移到傳送帶上，由傳送帶邊上設(shè)置傳感器完成對(duì)金屬、非金屬工件進(jìn)行檢測(cè)，并能做到正確篩選?？稍O(shè)置電氣回路、氣動(dòng)回路的故障讓學(xué)生去排除，提高學(xué)生的排故障能力。

[1]李允文.工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015. 05.

[2]廖常初.西門子人機(jī)界面組態(tài)技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.03.

[3]臺(tái)灣威綸公司.威綸觸摸屏組態(tài)技術(shù)，內(nèi)部資料，2015.

The Design of Intelligent Puma Manipulator

QIU Hai-qiang
(Xiamen Xingcai Vocational and Technical College,Xiamen361024,Fujian)

The project can be used in the students'practical training,which promotes students'perceptual knowledge in practical engineering device and truly reflects the actual situation of the job site.Three combinations can be achieved:combining the work task and the learning task,combining the work process and the learning process,and combining the work content and the learning content.Students can improve the practical operational ability and the problem-solving skills,and it is performed in teaching that studying something is to apply it.In this project,the air compressor is used as a power source,and the air cylinder constitutes the manipulator,and instructions is sent from the upper computer,and PLC controls the solenoid valve movement,and the manipulator is driven to complete the process flow of technology.The project greatly increases students'learning interest,and really performs the combination of teaching,learning and doing,and realizes the combination of working and learning.

applying something studied;puma manipulator;combination of working and learning

TB472

A

1671-5004（2017）02-0004-03

2017-2-17

福建教育廳科技項(xiàng)目（A類）“氣動(dòng)式教學(xué)型智能機(jī)械手的研制”（編號(hào)：2015kxyj13）

邱海強(qiáng)（1969-），男，福建省松溪縣人，講師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化控制。