帶安全控制的兩自由度搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

李紅斌，徐弈辰

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇太倉215411）

帶安全控制的兩自由度搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

李紅斌，徐弈辰

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇太倉215411）

通過對機(jī)械手裝置的結(jié)構(gòu)組成和控制系統(tǒng)方案分析，氣路及軟件設(shè)計(jì)，介紹一種基于西門子可編程控制器的帶安全控制的兩自由度搬運(yùn)機(jī)械手，并通過實(shí)際交付使用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

安全控制；兩自由度機(jī)械手；PLC

機(jī)械手由于其具有高度的靈活性和高效性，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是水平與垂直運(yùn)動(dòng)的兩自由度機(jī)械手，成本低，效率高，在工業(yè)當(dāng)中應(yīng)用廣泛。隨之帶來的問題便是安全性的問題，機(jī)械手安全性包含兩個(gè)方面，設(shè)備運(yùn)行的本體安全性和對操作者自身的安全性。如何設(shè)計(jì)高效而又安全的機(jī)械手，是工業(yè)控制領(lǐng)域中十分強(qiáng)調(diào)的問題。本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手，基于西門子PLC控制，并加配皮爾磁安全繼電器與TD400操作屏，操作簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，安全性高。

1系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)[1]

兩自由度機(jī)械手如圖1所示，主要由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括水平方向與垂直方向的絲杠直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括伸縮氣缸、抓取氣缸和推料氣缸。除此之外，在機(jī)械手外圍設(shè)置了安全光柵，建立了機(jī)械手動(dòng)作時(shí)的安全環(huán)境。

圖1 機(jī)械手實(shí)物圖

機(jī)械手的工作模式有“手動(dòng)模式”和“自動(dòng)模式”，同時(shí)還具備“故障報(bào)警”功能。一方面，不管是手動(dòng)模式還自動(dòng)模式主要?jiǎng)幼饔羞\(yùn)送、抓取及放置，其要求在硬件安全功能無故障的前提下方可實(shí)施動(dòng)作；另一方面，在其動(dòng)作實(shí)施的過程中，一旦遇到特殊情況和障礙的時(shí)候，機(jī)械手會(huì)立即中斷工作且有故障報(bào)警信息，報(bào)警信息包括限位故障報(bào)警、手動(dòng)操作報(bào)警及回參考點(diǎn)故障報(bào)警。

2控制系統(tǒng)方案及硬件組成

控制系統(tǒng)選用西門子S7-200系列的可編程邏輯控制器對其功能動(dòng)作進(jìn)行控制，西門子TD400觸摸屏作為人機(jī)交互界面，考慮系統(tǒng)對精度要求不高采用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置，將氣動(dòng)主要用于機(jī)械手臂伸縮和抓取和放置功能的驅(qū)動(dòng)上。在安全控制上采用皮爾磁安全繼電器控制，保證系統(tǒng)的安全性?？傮w控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手控制系統(tǒng)圖

西門子TD400觸摸屏一種小型緊湊型設(shè)備，是一種低成本的人機(jī)界面（HMI），使操作員或用戶能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交互，它為與S7-200CPU進(jìn)行界面連接提供了必需的組件。TD400設(shè)備允許組態(tài)一組層級用戶菜單，為與應(yīng)用程序交互提供了另一種結(jié)構(gòu)，使其顯示由S7-200CPU中的特定位觸發(fā)的報(bào)警或消息，同時(shí)可以查看、監(jiān)視和更改應(yīng)用程序固有的過程變量。

PNOZ X3急停繼電器是用于緊急停止的安全繼電器，帶有繼電器輸出觸點(diǎn)：3個(gè)安全觸點(diǎn)（常開）和1個(gè)輔助觸點(diǎn)（常閉）；可連接急停按鈕，安全門按鈕和啟動(dòng)按鈕；電源電壓顯示繼電器狀態(tài)顯示，能夠檢測外部保護(hù)回路狀態(tài)。

3安全設(shè)計(jì)方案[2]

在實(shí)際電路中加入了安全繼電器，氣動(dòng)壓力開關(guān)，急停按鈕等安全裝置，并在機(jī)械手外圍加上安全光柵及防護(hù)罩等一系列的保護(hù)措施，確保機(jī)械手工作的安全性。在安全功能上設(shè)計(jì)采用電與氣結(jié)合的安全保護(hù)，安全功能見表1.

表1 安全功能

在安全繼電器的應(yīng)用中采用雙通道輸入工作方式，如圖3雙通道輸入工作方式接線圖所示接電方式在輸入回路有重復(fù)接線，即-S21與S31皆接入急停按鈕觸點(diǎn)，當(dāng)緊急情況下按下急停按鈕，其安全輸出回路斷開，機(jī)械手動(dòng)作停止，起到安全保護(hù)的功能。同時(shí)雙通道輸入工作方式能判別輸入回路中的接地故障，和按鈕之間的短路故障。

圖3 雙通道輸入工作方式接線圖

4氣路設(shè)計(jì)

機(jī)械手系統(tǒng)中采用了三個(gè)氣缸來完成伸縮、抓取和推料的動(dòng)作，伸縮氣缸和抓取氣缸是雙作用氣缸，由兩個(gè)三位五通的雙電控?fù)Q向閥控制，推料氣缸是單作用彈簧復(fù)位式氣缸，由兩位五通單電控電磁閥控制，每個(gè)氣缸的控制回路都設(shè)置了單向節(jié)流閥，具體氣路控制回路如圖4所示。

圖4 X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

兩自由度搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的控制程序使用主程序和子程序編程，包括主程序及手動(dòng)控制子程序、自動(dòng)控制子程序和故障報(bào)警顯示子程序，程序結(jié)構(gòu)清晰明了便于修改。

在主程序中，系統(tǒng)使用主開關(guān)-Q1接通。在無故障時(shí)緊急-關(guān)斷-A1將控制主閥門-0V2，使用轉(zhuǎn)換開關(guān)-S3將接通控制，只有當(dāng)控制“接通”時(shí)，如果壓力開關(guān)-0B1顯示一個(gè)至少5 Pa的額定壓力，手動(dòng)工作和自動(dòng)工作的工作狀態(tài)才能激活。

在手動(dòng)模式下，通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上、下、左、右的點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)，便于現(xiàn)場的維護(hù)與維修控制；自動(dòng)運(yùn)行模式可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)的控制采用MAP庫功能模塊開控制，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序如圖4所示，Q0_0 CTRL為控制X軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，Q2.2為綠色指示燈，代表電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行狀態(tài)，Pulse_EU子程序?yàn)樽兞哭D(zhuǎn)換功能塊，將脈沖量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并在TD400屏上顯示出實(shí)時(shí)距離。當(dāng)發(fā)生越限報(bào)警時(shí)，屏幕會(huì)顯示報(bào)警信號，清除錯(cuò)誤后可手動(dòng)使機(jī)械手回到初始位置。

6結(jié)束語

基于安全控制而設(shè)計(jì)的兩自由度搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)PLC機(jī)械手安全性低等缺點(diǎn)，具有高安全性、平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地完成工業(yè)現(xiàn)場的搬運(yùn)任務(wù)。該系統(tǒng)在實(shí)際的機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的運(yùn)行性能和安全性。

[1]陸振先，袁凱，曹瓊興.基于PLC的兩自由度并聯(lián)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（03）：67-71.

[2]關(guān)明，周希倫，馬立靜，等．基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（7）：120-122．

[3]胡高峰，李占賢，黃金鳳．基于PLC的高速并聯(lián)機(jī)械手控制技術(shù)[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（3）：147-154．

Design of Two Degree of Freedom Manipulatorw ith Security Control

LIHong-bin，XU Yi-chen
（Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology，Taicang Jiangsu 215411，China）

Through the analysis of the structure and the control system of the manipulator device，by pneumatic system and software design，this paper introduces a kind of two degree of freedom manipulator with safety control based on SIEMENSPLC.And the stability and security of the system are verified by practical application.

security control；two degree of freedom manipulator；PLC

TP242.6

A

1672-545X（2016）12-0144-03

2016-09-03

太倉市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目（TC2014GY14）

李紅斌（1984-），女，廣西賀州人，講師，高級技師，工程碩士，研究方向：自動(dòng)化控制。