莊文密，周 瑜，田會峰，談 昕

（江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，張家港 215600）

基于PLC的工業(yè)卷邊機(jī)智能上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

莊文密，周 瑜，田會峰，談 昕

（江蘇科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，張家港 215600）

主要介紹了一種基于PLC的智能上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成，應(yīng)用于傳統(tǒng)的工業(yè)卷邊機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場的改造。詳細(xì)闡明了機(jī)械手的工作流程，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及核心控制程序。

PLC；卷邊機(jī)；機(jī)械手；自動上下料

0 引言

機(jī)械手是一種模擬人手操作的自動化機(jī)械。它能夠按照指定程序完成某些特定操作，例如抓取，搬運(yùn)物件或操持工具。傳統(tǒng)的機(jī)械手控制系統(tǒng)由繼電器-接觸器控制組成，存在故障多、工作壽命短和不易檢修等缺點(diǎn)[1]。 隨著具有高可靠性、易編程修改等特點(diǎn)的PLC的普及和完善，使用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的控制取得了良好的效果。從而對于沖壓等重復(fù)性、危險(xiǎn)性、節(jié)拍高的加工行業(yè)，提高了人工及設(shè)備安全性，保持了產(chǎn)品產(chǎn)能、質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性，這也是契合工業(yè)4.0以及中國制造2025的發(fā)展潮流[2]。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)卷邊機(jī)生產(chǎn)過程中對于工件的上下料往往采用人工夾取收放的方式，對于簡單的機(jī)械式操作來說，人工操作不僅生產(chǎn)效率低并且存在安全隱患，以及人工成本也是阻礙生產(chǎn)發(fā)展的因素。因此設(shè)計(jì)利用PLC，觸摸屏，步進(jìn)電機(jī)以及各類傳感器和現(xiàn)場控制設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)對工業(yè)卷邊機(jī)自動上下料的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能介紹

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用PLC作為主控制器，同時(shí)采用混合步進(jìn)電機(jī)與諧波減速器作為傳動裝置來帶動轉(zhuǎn)臂裝置的運(yùn)動來進(jìn)行精確的定位，此外通過電磁閥控制氣缸的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)取料裝置的上升與下降，并由電磁吸盤的帶電與否的不同狀態(tài)進(jìn)行物料的吸取與釋放，從而完成待加工工件的自動上下料的過程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過觸摸屏實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)控，并設(shè)計(jì)有緊急停車、故障報(bào)警等安全裝置，保證生產(chǎn)安全。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)功能介紹

在深入了解工件加工流程后系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用一個(gè)上料機(jī)械手，一個(gè)下料機(jī)械手來同時(shí)給兩臺卷圓機(jī)床上料與下料。上料機(jī)械手有五個(gè)工作位置，分別為取料位置，機(jī)床1上料等待位置，機(jī)床1上料位置，機(jī)床2上料等待位置，機(jī)床2上料位置。首先按下復(fù)位按鈕后，機(jī)械手尋找參考點(diǎn)之后進(jìn)入取料位置，按下啟動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)等待物料到達(dá)，物料到達(dá)后，上料機(jī)械手下降取料，取完料，機(jī)械手上升如果機(jī)床1準(zhǔn)備就緒直接進(jìn)行上料，如果機(jī)床1未準(zhǔn)備就緒，則運(yùn)行到機(jī)床1上料等待位置，等待機(jī)床1就緒后再開始上料。機(jī)床1上料完成之后，返回取料位置繼續(xù)取料給機(jī)床2上料并呼叫機(jī)床1加工，如此循環(huán)。與此同時(shí)，下料機(jī)械手也對應(yīng)有五個(gè)工位，機(jī)床上料加工時(shí)處于各自等待位置，加工結(jié)束信號發(fā)出后自動運(yùn)行至機(jī)床處進(jìn)行下料的工序操作，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對兩臺機(jī)床快速穩(wěn)定的自動上下料控制。系統(tǒng)功能動作圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能動作示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的整體布局為，傳動裝置采用混合步進(jìn)電機(jī)和諧波減速器實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)定位。采用兩個(gè)氣缸來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂的上下運(yùn)動與電磁吸盤來實(shí)現(xiàn)物料的吸取與釋放。同時(shí)控制器采用PLC來實(shí)現(xiàn)對混合步進(jìn)電機(jī)，氣缸，電磁吸盤進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動上下料的要求。此外通過點(diǎn)擊觸摸屏來進(jìn)行上下料機(jī)械手五個(gè)工作位置的調(diào)試與校準(zhǔn)。

2.1 控制器選型及I/O地址分配

設(shè)計(jì)使用西門子的S7-224XP的PLC，其自身帶有兩個(gè)高速脈沖輸出口，和10點(diǎn)輸出14點(diǎn)輸入，此外根據(jù)設(shè)計(jì)要求還需擴(kuò)展一個(gè)8個(gè)點(diǎn)輸入8個(gè)點(diǎn)輸出的EM223擴(kuò)展模塊。機(jī)械手系統(tǒng)與PLC的I/O表如表1所示。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件選型

2.2.1 諧波減速器

諧波傳動減速器，主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個(gè)基本構(gòu)件組成，是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動和動力的齒輪動。本系統(tǒng)中采用哈默納科公司的CSF-20-50-2UH諧波減速器來以增大系統(tǒng)控制精度，且增大扭矩。

表1 PLC的I/O地址分配

2.2.2 超薄氣缸

氣缸是在氣壓的作用下引導(dǎo)活塞進(jìn)行運(yùn)動的圓筒形金屬機(jī)件。同時(shí)通過電磁閥改變它的進(jìn)氣方向?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。薄型氣缸，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用亞德客的SDA 50*25超薄型氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)臂的上下運(yùn)動。

2.2.3 電磁吸盤

電磁吸盤利用電磁原理，使內(nèi)部線圈通電產(chǎn)生磁力，經(jīng)過導(dǎo)磁面板，將接觸在面板表面的工件緊緊吸住的，通過線圈斷電，磁力消失實(shí)現(xiàn)退磁。本系統(tǒng)采用伊萊科的ELE-P34/18電磁吸盤，通電后帶有磁力抓取工件，斷電后磁力消失，釋放工件從而應(yīng)用在本系統(tǒng)中對物件進(jìn)行抓取。

2.2.4 混合式步進(jìn)電機(jī)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用混合式閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，具有低發(fā)熱、高效率的特點(diǎn)；同時(shí)通過基于反饋編碼器的空間矢量電流控制算法和矢量平滑濾波技術(shù)，對困擾傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的低頻共振有很好的抵制作用并且先進(jìn)的伺服控制技術(shù)提供了大力矩輸出，使得系統(tǒng)具有極高動態(tài)響應(yīng)，步進(jìn)伺服速度可到600～2000RPM。

2.3 系統(tǒng)3D模型建立

在完成系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)后，通過SolidWorks軟件建立系統(tǒng)的三維模型并檢測各單個(gè)元器件之間有無干涉，最終設(shè)計(jì)的3D模型如圖3所示，經(jīng)檢驗(yàn)各器件間無干涉、運(yùn)行正常。

圖3 上下料機(jī)械手3D模型

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在編寫PLC程序之前，首先根據(jù)系統(tǒng)的控制功能要求進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體工作流程圖如圖4所示。依據(jù)系統(tǒng)控制規(guī)則以及機(jī)械手動作流程，本控制系統(tǒng)程序采用模塊化編程的方法將其設(shè)計(jì)為主程序部分、上料控制程序、下料控制程序和機(jī)床動作程序四個(gè)部分組成，程序結(jié)構(gòu)簡潔明了，相互之間即相互聯(lián)系又獨(dú)立成塊，方便程序的維護(hù)與升級。

圖4 系統(tǒng)總體工作流程圖

3.1 上料子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)按下復(fù)位按鈕（I0.7）時(shí)，控制混合步進(jìn)電機(jī)尋找參考點(diǎn)的同時(shí)氣缸和電磁鐵進(jìn)入初始狀態(tài)，使其處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)按下啟動按鈕（I0.4），若此時(shí)光電開關(guān)（I1.0）檢測到物料到達(dá)，則機(jī)械手轉(zhuǎn)至取料位置，上料氣缸（Q1.1）下降到位，上料電磁吸盤（Q1.0）帶電吸取工件后氣缸上升到位后轉(zhuǎn)至機(jī)床1上料等待位置，通過呼叫上料信號（I0.3）控制機(jī)械手轉(zhuǎn)至機(jī)床1上料位置后氣缸下降到位，電磁鐵斷電釋放工件，發(fā)出機(jī)床1加工信號并轉(zhuǎn)至取料位置準(zhǔn)備進(jìn)行機(jī)床2的上料工作。

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

3.2.1 步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖程序

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動程序是帶動機(jī)械手運(yùn)動的關(guān)鍵。西門子200系列PLC的CPU本體上有兩個(gè)PTO/PWM高速脈沖發(fā)生器，它們每個(gè)都可以產(chǎn)生一個(gè)高速脈沖串（PTO）或者一個(gè)脈寬調(diào)制波形（PWM），其最高頻率可達(dá)20kHz。在Q0.0和Q0.1上激活PTO/PWM功能，PTO/PWM發(fā)生器對Q0.0和Q0.1擁有控制權(quán)，同時(shí)普通輸出點(diǎn)功能被禁止[3]。此后，通過運(yùn)動控制庫指令進(jìn)行控制，即可控制輸出脈沖參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加減速以及正反轉(zhuǎn)功能，帶動機(jī)械手根據(jù)設(shè)計(jì)要求旋轉(zhuǎn)[4]。

3.2.2 尋原點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

針對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的復(fù)雜情況，為避免停電斷電等外界因素影響使機(jī)械手突然停止工作后無法正常復(fù)位以及為滿足初次調(diào)試時(shí)同樣需要設(shè)定起始位置的要求，設(shè)計(jì)尋原點(diǎn)程序[6]，程序如圖5所示。尋找參考點(diǎn)一般步驟如下：

1）從起始位置以起始方向開始尋找。

2）碰到參考點(diǎn)之前若碰到限位開關(guān)，則立即反方向?qū)ふ摇?/p>

3）找到參考點(diǎn)開關(guān)的上升沿即減速到尋參低速。

4）若在檢測到參考點(diǎn)開關(guān)的下降沿之前已減速到尋參低速，則比較當(dāng)前方向與終止方向是否一致。

5）若一致，在參考點(diǎn)開關(guān)的下降沿處完成尋參過程；若否，則反方向?qū)ふ伊硪欢说南陆笛亍?/p>

圖5 步進(jìn)電機(jī)尋原點(diǎn)程序

3.2.3 點(diǎn)動子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的每一個(gè)位置進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，才能保證上下物料準(zhǔn)確無誤所以需要點(diǎn)動功能，但是在S7-200的控制庫中沒有專門的點(diǎn)動指令，本系統(tǒng)進(jìn)行如下程序設(shè)計(jì)：設(shè)定V80.4為手動正轉(zhuǎn)，V80.5為手動反轉(zhuǎn)，V70.4為手動方向設(shè)定。當(dāng)按下手動正轉(zhuǎn)或者手動反轉(zhuǎn)有上升沿產(chǎn)生時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便會以VD416中的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，方向由V70.4控制，所以要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)需改變V70.4的值。

3.3 安全性程序設(shè)計(jì)

3.3.1 急停按鈕設(shè)置

按下急停按鈕后程序會立刻停止運(yùn)行，停止一切動作，若想再次運(yùn)行程序需重新手動讓步進(jìn)電機(jī)尋原點(diǎn)，之后按下復(fù)位按鈕，才可重新啟動。此設(shè)計(jì)的目的是防止突發(fā)情況，可以立刻停止，把傷害降到最小。

3.3.2 暫停按鈕設(shè)置

按下停止按鈕，程序運(yùn)行完順控的那一步之后停止，再次按啟動按鈕，程序繼續(xù)沿著上一步運(yùn)行。此設(shè)計(jì)的目的是防止值班人員中途有事離開，可暫時(shí)停止程序，再次運(yùn)行時(shí)直接按下啟動按鈕即可。

3.3.3 手動/自動選擇旋鈕

只有將手自動旋鈕旋轉(zhuǎn)到自動狀態(tài)，按下啟動按鈕程序才會自動運(yùn)行，只有將手自動旋鈕旋轉(zhuǎn)到手動狀態(tài)，才可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過觸摸屏改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，上下料的位置等。若在自動狀態(tài)觸摸屏將無法寫入。此設(shè)計(jì)的目的，防止機(jī)械手臂運(yùn)行過程中，突然改變參數(shù)，導(dǎo)致程序紊亂。

3.3.4 強(qiáng)制尋原點(diǎn)設(shè)置

系統(tǒng)每次斷電之后再次重啟，必須進(jìn)行尋原點(diǎn)動作，否則程序禁止運(yùn)行。此設(shè)計(jì)的目的是，防止斷電后轉(zhuǎn)臂位置被移動，程序之間運(yùn)行導(dǎo)致定位不準(zhǔn)，發(fā)生事故。

4 結(jié)束語

在工業(yè)4.0的理念潮流之下，生產(chǎn)過程的自動化也越來越得到重視。工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。針對傳統(tǒng)的工業(yè)卷邊機(jī)人工上下料的生產(chǎn)過程，設(shè)計(jì)了智能上下料機(jī)械手，通過步進(jìn)電機(jī)、電磁吸盤、氣缸以及機(jī)械裝置等組成的自動控制系統(tǒng)來對卷邊機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的上下料控制。采用了觸摸屏對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過對本系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對卷邊機(jī)快速準(zhǔn)確的上料與下料、實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)動情況。測試結(jié)果表明此系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，且上下料快速可靠，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化，智能化。本設(shè)計(jì)提高了生產(chǎn)速度，減輕了工人的勞作強(qiáng)度，優(yōu)化了企業(yè)的資源的分配，有著良好的應(yīng)用前景。

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The design of automatic loading and unloading transfer arm for crimping machine based on PLC

ZHUANG Wen-mi, ZHOU YU, TIAN Hui-feng, TAN Xin

TP23

：B

1009-0134(2017)07-0138-04

2017-05-07

張家港市香樟樹眾創(chuàng)空間項(xiàng)目（501117004）

莊文密（1995 -），男，山東人，本科，研究方向?yàn)楣I(yè)自動化、電氣設(shè)計(jì)以及智能制造。