王國軒 聶曉峰 杜江濤 朱洪超

摘 ?要：當前，自動化已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。文章中真空機械手采用PLC脈沖輸出信號控制步進電機沿縱向與橫向運動，通過發(fā)送脈沖的個數(shù)實現(xiàn)精確定位的功能;利用真空吸盤代替機械手手爪，實現(xiàn)了對物料的吸取與釋放。并研究完成了對機械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏畫面的設計。實踐證明，該系統(tǒng)操作方便、運行平穩(wěn)，能夠對物料進行安全精確的轉運，使用效果良好。

關鍵詞：真空機械手;可編程邏輯控制器;觸摸屏

中圖分類號：TP241.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0007-05

Abstract： At present， automation has been widely used in industrial production. In this paper， the programmable logic controller （PLC） pulse output signal is used to control the longitudinal and transverse motion of the stepper motor in the vacuum manipulator， and the accurate positioning function is realized by sending the number of pulses. The vacuum sucker is used to replace the manipulator claw to realize the absorption and release of the material. The hardware system， software system and touch screen of the manipulator are designed. The practice shows that the system has the advantages of convenient operation， smooth operation， safe and accurate transfer of materials， and good application effect.

Keywords： vacuum manipulator; programmable logic controller （PLC）; touch screen

引言

當前，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)正迅速向人工智能生產(chǎn)轉變，設計能大幅提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質量的智能設備是人們的不懈追求。在一些惡劣的工作環(huán)境、高強度流水車間等利用機械手來實現(xiàn)生產(chǎn)勞動可以大幅度節(jié)約人力物力，提高生產(chǎn)作業(yè)的安全性;并且還可以根據(jù)生產(chǎn)需求的變化，便利地改變作業(yè)程序。這樣就在可以實現(xiàn)工作目的的同時，大大提高生產(chǎn)效率，因此具有很大的研究價值[1-2]。為此提出一種利用可編程邏輯控制器（PLC）來操控機械手的機械手爪、步進電機以及傳感器等做出各種指定且復雜多變的動作，來實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的精確轉運系統(tǒng)，這是當前形勢下順應時代的產(chǎn)物。

1 轉運系統(tǒng)作業(yè)方案

1.1 工作任務及流程

本項目設計的是實際工業(yè)生產(chǎn)中需要用到的真空機械手轉運系統(tǒng)，工作任務及流程如圖1所示。當物料進入到物料臺上時，物料臺上的光電傳感器立即產(chǎn)生作用，給機械手一個信號，垂向移動電機隨之啟動，帶動機械手下降;當其下降到設定的下方極限位置時，行程開關傳感器檢測到設定位置時，給機械手一個信號，縱向電機立即停止;然后真空泵得電啟動，通過真空吸盤將物料吸起;然后垂向移動電機啟動，帶動機械手向上移動，當?shù)竭_設定位置時，垂向移動電機制動;接著橫向移動電機立即開始向左移動，當機械手移動到設定的左極限位置，也就是流水線起始端正上方，這時橫向移動電機接收到行程開關傳感器的信號立即制動;垂向移動電機重新啟動，帶動真空機械手向下移動，移動到位之后真空泵失電，將物料放到流水線指定位置;最后機械手原路返回到物料臺上方。

1.2 控制模式選擇

（1）手動模式：當控制臺啟動時，機械手首先會自動回到物料臺上方，在觸摸屏界面中觸摸手動按鈕，然后觸摸上升或者下降按鈕時，機械手就立即啟動，隨之上升或者下降。再次觸摸手動按鈕時，移動電機立即制動，機械手不再移動。

（2）自動模式：在觸摸屏界面中觸摸自動按鈕時，控制系統(tǒng)立即進入到自動運行模式，當光電傳感器檢測到物料臺上有物料時，機械手開始做勻速運動，機械手不論此時位于哪個位置，都將按照設定的程序移動到物料臺上方，通過真空吸盤將物料吸起。機械手帶著物料開始向上移動時，當接近開關檢測到上極限位置，垂向移動電機制動，橫向移動電機立即啟動帶著機械手向左運動，當接近開關檢測到左方設定的極限位置時，橫向移動電機停止，垂向移動電機再次運動，帶著機械手向下方移動，當接近開關檢測到下極限位置時，機械手立即停止移動，真空吸盤將物料放在流水線指定區(qū)域，然后機械手原路返回，循環(huán)往復。

（3）停止模式：正常當機械手處于自動運行模式時，在觸摸屏中觸摸啟動按鈕，機械手就會有條不紊的運行;當需要停止時，觸摸停止按鈕，機械手不管此時位于何處，機械手都將回到初始位置，然后停止運功。當設備發(fā)出警報聲或者在生產(chǎn)中突發(fā)事故時，立即觸摸急停按鈕，機械手立即響應，停止運動。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電機選型

基于前述作業(yè)方案，對于此項目用到的垂向移動電機與橫向移動電機兩個電機，選擇的是北京時代超群電器科技有限公司生產(chǎn)的伺服電機，其型號為130AEA38025-SH3，如圖2所示。此型號電機采用銅芯工藝，銅芯電機在工作過程中發(fā)熱更少且更加節(jié)能;外殼采用鑄鐵密封構造，防護等級高;由于鑄鐵機型重量大，運行更加穩(wěn)定耐用;采用高分子樹脂絕緣技術加強絕緣性能，從而保障安全;轉子采用鑄鋁特殊槽壓制造，啟動轉矩大，慣性小，節(jié)省啟動和停止的時間;振動小，噪音低，抗電沖擊能力強，能在一些極端環(huán)境中持久工作[3]。

2.1.1 垂向移動電機控制

垂向電機通過伺服變頻器能接收控制系統(tǒng)給定的上移或者下移的信號使機械手向上或者向下移動，垂向移動電機的控制圖如圖3所示，變頻器選用的是INV ABB 2.2kW型號。

2.1.2 橫向移動電機控制

橫移電機通過伺服變頻器能接收控制系統(tǒng)給定的左移或者右移的信號使機械手向左或者向右移動，橫向移動電機的控制圖如圖4所示，變頻器選用的是INV ABB 1.5kW型號。

2.1.3 真空發(fā)生器控制

利用真空泵控制真空吸盤吸起物料，在此基礎上，首先需要確定真空發(fā)生器的產(chǎn)生的壓力能否使得真空吸盤吸住物體，借助氣壓傳感器能到達目的。氣壓傳感器選用江蘇聯(lián)測儀表有限公司的擴散硅壓力變送傳感器，此傳感器能進行水壓、液壓和氣壓測量，測試精準，性能穩(wěn)定[4]。氣壓傳感器結構、接線圖如圖5、6所示，真空發(fā)生器的控制電路如圖7所示。

2.2 傳感器選型

2.2.1 光電傳感器

光電傳感器選用的是大偉電氣有限公司的紅外線感應光電開關E3F-DS30C4接近漫反射式傳感器，采用ABS塑料外殼螺旋設計，內置進口抗干擾芯片，靈敏度高，反應迅速。同時使用LED燈增加使用壽命，檢測距離在30CM以內[5]。如圖8所示，光電傳感器的功能是檢測物料臺是否存在物料，當物料臺上有物料被檢測到時，就會給機械手一個輸入信號，機械手開始工作[6]。其電路原理圖如圖9所示。

2.2.2 接近開關傳感器

接近開關傳感器選用的是深圳滬工自動化有限公司生產(chǎn)的滬工電感式接近開關，型號LJ18A3-8-Z/BX，直流三線常開，如圖10所示，可以檢測8mm范圍物體。接近開關的作用是避免與被檢測物體產(chǎn)生直接接觸而損壞機械手和物料[7]。項目中接近開關的功能是檢測真空吸盤與物料之間或者機械手與設定的極限位置之間的距離。當沒有物體擋住接近開關時，它的開關一直處于閉合狀態(tài)，當有物體擋住接近開關時，開關斷開。能在有水或者其他噴濺液體的環(huán)境中運行，反應速度快，安裝方便[8]。接近開關的輸出電路如圖11所示。

2.3 PLC選型

本項目可編程邏輯控制器（PLC）選用的是德國西門子生產(chǎn)的S7-200PLC。西門子公司經(jīng)歷了一百七十多年的發(fā)展，其生產(chǎn)的PLC已經(jīng)非常成熟[9]。

2.3.1 I/O分配表

根據(jù)項目要求，配置了如下表中的輸入點和輸出點，其中具體輸入點分配和具體的輸出點分配如表1所示。

2.3.2 系統(tǒng)電氣框圖

根據(jù)表1中的輸入點和輸出點的具體分配，設置了系統(tǒng)電氣框圖如圖12所示。下半部分為輸入開關量，電源為24V;上半部分為輸出開關量，供電電源可以是直流24V、交流220V等。

2.3.3 系統(tǒng)主電路及控制電路設計

根據(jù)上述所需要PLC電源、兩個移動電機以及真空泵，設計了如下的系統(tǒng)主電路的電氣原理圖，如圖13所示。西門子PLC的電源和開關電源均通過變壓器連接到母線上;為了防止過載，將兩個移動電機和真空泵通過過載保護器后再連接到母線上，使系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的運行。

2.4 觸摸屏選型

觸摸屏組態(tài)界面也常稱為人機界面，簡稱HMI。它是用戶與操作系統(tǒng)之間溝通的橋梁，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)在廣泛應用于手機、社區(qū)服務、銀行自助服務和車載顯示等各類場景[10]。人機界面實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的“語言”與人類語言的轉換，可以分為信息輸入與信息輸出兩種，信息輸入指的是由操作者對儀器下達的“命令”，如電燈和門窗的打開與閉合、電路的通斷等;信息輸出是由機設備給用戶傳達的信息，例如故障、報警、聲音、燈光等。一個良好的觸摸屏可以使操作過程變得更加簡潔，在增加設備使用年限前提下，能使生產(chǎn)設備在使用過程中發(fā)揮出更大作用[11]。

2.4.1 監(jiān)控界面

系統(tǒng)的監(jiān)控界面中顯示日期、截止目前工作數(shù)量、吸料延時和故障報警等欄目，如圖14所示。

2.4.2 保護時間設置

系統(tǒng)的保護時間設置界面主要包含以下幾點：（1）機械手回原點限時（S）;（2）機械手升降限時（S）;（3）機械手側移限時（S）;（4）返回觸摸屏主界面。

在機械手工作中過程會出現(xiàn)不可預知的危險，設置保護時間是為了防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。這樣在機械手工作過程中能迅速關閉系統(tǒng)，以防止出現(xiàn)機械手和人體碰撞等重大的安全事故以及經(jīng)濟損失，系統(tǒng)參數(shù)保護界面如圖15所示。

2.4.3 系統(tǒng)報警界面

系統(tǒng)的故障報警界面中主要包含報警顯示與報警復位兩部分，如圖16所示。在進行故障復位之前，操作人員應首先查明故障原因，并及時排除故障，然后才可以進行報警復位。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 SFC順序功能圖

搬運物料機械手在自動工作模式下的SFC順序功能如圖17所示，根據(jù)順序功能圖，結合輸入輸出點的具體分配，就可以編寫控制程序實現(xiàn)控制功能。

3.2 自動運行程序

在生產(chǎn)過程中，通常情況下，機械手都處于自動運行模式。為實現(xiàn)順序控制功能，在PLC中通常采用順序控制繼電器（SCR）指令。順序控制程序被分為若干個SCR段，一個SCR段對應于順序功能圖中的一步。當選擇自動運行模式時，啟用SCR指令S2.0，機械手開始向下運動;機械手運動到下限位時，則自動轉動到下一個工位;機械手向右運動到達右極限位置時，則重新啟動狀態(tài)S2.0，機械手進入循環(huán)運行狀態(tài)，以此實現(xiàn)工業(yè)的批量生產(chǎn)。在機械手自動運行過程中無論機械手此時位于何種狀態(tài)，只要按下復位按鈕，機械手都會自動復位，回到狀態(tài)S1.0。自動運行程序如圖18所示。

3.3 報警

控制系統(tǒng)的運行安全性極其重要，因此轉運系統(tǒng)需要具備一個有效可靠的警報安全系統(tǒng)。通過設置保護時間，防止行程開關或者限位開關失靈時，機械手無休止移動，甚至與生產(chǎn)物料或者機械臺發(fā)生碰撞，威脅人身安全。因此機械手通過吸盤吸取物料時，首先需要通過光電傳感器I1.5檢測物料臺上是否有物料。如沒有物料，線圈Q0.5發(fā)出警報，提醒工作人員在物料臺上放入物料。當機械手在移動過程中發(fā)生故障報警時，機械手自動停止運行，報警燈常亮。此時需操作人員進入觸摸屏運行報警界面人工復位，切斷控制系統(tǒng)的電源并且將故障排除后，才能再次恢復控制系統(tǒng)。

4 結論

本真空機械手精確轉運項目結合電氣控制技術、運動控制技術、傳感器與檢測技術以及PLC應用技術，實現(xiàn)了把工件從物料臺精準轉運到流水線的功能。項目在滿足穩(wěn)定性、安全性和精度的基礎上，極大地提高了生產(chǎn)流水線的作業(yè)效能。本文中真空機械手采用PLC脈沖輸出信號控制步進電機沿縱向與橫向運動，通過發(fā)送脈沖的個數(shù)實現(xiàn)精確定位的功能;利用真空吸盤代替機械手手爪，實現(xiàn)了對物料的吸取與釋放。并研究完成了對機械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏畫面的設計。實踐證明，該系統(tǒng)操作方便、運行平穩(wěn)，能夠對物料進行安全精確的轉運，使用效果良好。

文章主要完成了以下幾個方面的成果：（1）對完成精確轉運目標功能所需要的硬件包括伺服電機、光電傳感器、接近開關、氣壓傳感器及真空泵等進行選型，并加以分析整合。（2）對所需的控制器PLC進行選型、硬件配置和軟件編程，從而實現(xiàn)對各個運行組件的控制，尤其是對伺服電機的精準步進控制。（3）通過利用真空吸盤代替機械手手爪，對機械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏界面的設計，實現(xiàn)了對工件吸取與釋放的柔性定位控制。

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