真空機(jī)械手精確轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王國軒 聶曉峰 杜江濤 朱洪超

摘 ?要：當(dāng)前，自動(dòng)化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。文章中真空機(jī)械手采用PLC脈沖輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)沿縱向與橫向運(yùn)動(dòng)，通過發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位的功能;利用真空吸盤代替機(jī)械手手爪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的吸取與釋放。并研究完成了對(duì)機(jī)械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行安全精確的轉(zhuǎn)運(yùn)，使用效果良好。

關(guān)鍵詞：真空機(jī)械手;可編程邏輯控制器;觸摸屏

中圖分類號(hào)：TP241.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dāng)前，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)正迅速向人工智能生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)能大幅提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量的智能設(shè)備是人們的不懈追求。在一些惡劣的工作環(huán)境、高強(qiáng)度流水車間等利用機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)勞動(dòng)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(shí)現(xiàn)工作目的的同時(shí)，大大提高生產(chǎn)效率，因此具有很大的研究?jī)r(jià)值[1-2]。為此提出一種利用可編程邏輯控制器（PLC）來操控機(jī)械手的機(jī)械手爪、步進(jìn)電機(jī)以及傳感器等做出各種指定且復(fù)雜多變的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的精確轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，這是當(dāng)前形勢(shì)下順應(yīng)時(shí)代的產(chǎn)物。

1 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)作業(yè)方案

1.1 工作任務(wù)及流程

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中需要用到的真空機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，工作任務(wù)及流程如圖1所示。當(dāng)物料進(jìn)入到物料臺(tái)上時(shí)，物料臺(tái)上的光電傳感器立即產(chǎn)生作用，給機(jī)械手一個(gè)信號(hào)，垂向移動(dòng)電機(jī)隨之啟動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手下降;當(dāng)其下降到設(shè)定的下方極限位置時(shí)，行程開關(guān)傳感器檢測(cè)到設(shè)定位置時(shí)，給機(jī)械手一個(gè)信號(hào)，縱向電機(jī)立即停止;然后真空泵得電啟動(dòng)，通過真空吸盤將物料吸起;然后垂向移動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手向上移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定位置時(shí)，垂向移動(dòng)電機(jī)制動(dòng);接著橫向移動(dòng)電機(jī)立即開始向左移動(dòng)，當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)到設(shè)定的左極限位置，也就是流水線起始端正上方，這時(shí)橫向移動(dòng)電機(jī)接收到行程開關(guān)傳感器的信號(hào)立即制動(dòng);垂向移動(dòng)電機(jī)重新啟動(dòng)，帶動(dòng)真空機(jī)械手向下移動(dòng)，移動(dòng)到位之后真空泵失電，將物料放到流水線指定位置;最后機(jī)械手原路返回到物料臺(tái)上方。

1.2 控制模式選擇

（1）手動(dòng)模式：當(dāng)控制臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械手首先會(huì)自動(dòng)回到物料臺(tái)上方，在觸摸屏界面中觸摸手動(dòng)按鈕，然后觸摸上升或者下降按鈕時(shí)，機(jī)械手就立即啟動(dòng)，隨之上升或者下降。再次觸摸手動(dòng)按鈕時(shí)，移動(dòng)電機(jī)立即制動(dòng)，機(jī)械手不再移動(dòng)。

（2）自動(dòng)模式：在觸摸屏界面中觸摸自動(dòng)按鈕時(shí)，控制系統(tǒng)立即進(jìn)入到自動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到物料臺(tái)上有物料時(shí)，機(jī)械手開始做勻速運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手不論此時(shí)位于哪個(gè)位置，都將按照設(shè)定的程序移動(dòng)到物料臺(tái)上方，通過真空吸盤將物料吸起。機(jī)械手帶著物料開始向上移動(dòng)時(shí)，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到上極限位置，垂向移動(dòng)電機(jī)制動(dòng)，橫向移動(dòng)電機(jī)立即啟動(dòng)帶著機(jī)械手向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到左方設(shè)定的極限位置時(shí)，橫向移動(dòng)電機(jī)停止，垂向移動(dòng)電機(jī)再次運(yùn)動(dòng)，帶著機(jī)械手向下方移動(dòng)，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到下極限位置時(shí)，機(jī)械手立即停止移動(dòng)，真空吸盤將物料放在流水線指定區(qū)域，然后機(jī)械手原路返回，循環(huán)往復(fù)。

（3）停止模式：正常當(dāng)機(jī)械手處于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，在觸摸屏中觸摸啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手就會(huì)有條不紊的運(yùn)行;當(dāng)需要停止時(shí)，觸摸停止按鈕，機(jī)械手不管此時(shí)位于何處，機(jī)械手都將回到初始位置，然后停止運(yùn)功。當(dāng)設(shè)備發(fā)出警報(bào)聲或者在生產(chǎn)中突發(fā)事故時(shí)，立即觸摸急停按鈕，機(jī)械手立即響應(yīng)，停止運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)選型

基于前述作業(yè)方案，對(duì)于此項(xiàng)目用到的垂向移動(dòng)電機(jī)與橫向移動(dòng)電機(jī)兩個(gè)電機(jī)，選擇的是北京時(shí)代超群電器科技有限公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)，其型號(hào)為130AEA38025-SH3，如圖2所示。此型號(hào)電機(jī)采用銅芯工藝，銅芯電機(jī)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(gòu)造，防護(hù)等級(jí)高;由于鑄鐵機(jī)型重量大，運(yùn)行更加穩(wěn)定耐用;采用高分子樹脂絕緣技術(shù)加強(qiáng)絕緣性能，從而保障安全;轉(zhuǎn)子采用鑄鋁特殊槽壓制造，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，慣性小，節(jié)省啟動(dòng)和停止的時(shí)間;振動(dòng)小，噪音低，抗電沖擊能力強(qiáng)，能在一些極端環(huán)境中持久工作[3]。

2.1.1 垂向移動(dòng)電機(jī)控制

垂向電機(jī)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(hào)使機(jī)械手向上或者向下移動(dòng)，垂向移動(dòng)電機(jī)的控制圖如圖3所示，變頻器選用的是INV ABB 2.2kW型號(hào)。

2.1.2 橫向移動(dòng)電機(jī)控制

橫移電機(jī)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(hào)使機(jī)械手向左或者向右移動(dòng)，橫向移動(dòng)電機(jī)的控制圖如圖4所示，變頻器選用的是INV ABB 1.5kW型號(hào)。

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(chǔ)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(dá)目的。氣壓傳感器選用江蘇聯(lián)測(cè)儀表有限公司的擴(kuò)散硅壓力變送傳感器，此傳感器能進(jìn)行水壓、液壓和氣壓測(cè)量，測(cè)試精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定[4]。氣壓傳感器結(jié)構(gòu)、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(yīng)光電開關(guān)E3F-DS30C4接近漫反射式傳感器，采用ABS塑料外殼螺旋設(shè)計(jì)，內(nèi)置進(jìn)口抗干擾芯片，靈敏度高，反應(yīng)迅速。同時(shí)使用LED燈增加使用壽命，檢測(cè)距離在30CM以內(nèi)[5]。如圖8所示，光電傳感器的功能是檢測(cè)物料臺(tái)是否存在物料，當(dāng)物料臺(tái)上有物料被檢測(cè)到時(shí)，就會(huì)給機(jī)械手一個(gè)輸入信號(hào)，機(jī)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(guān)傳感器

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

2.3 PLC選型

本項(xiàng)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(xiàng)目要求，配置了如下表中的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，其中具體輸入點(diǎn)分配和具體的輸出點(diǎn)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(diǎn)和輸出點(diǎn)的具體分配，設(shè)置了系統(tǒng)電氣框圖如圖12所示。下半部分為輸入開關(guān)量，電源為24V;上半部分為輸出開關(guān)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(shè)計(jì)

根據(jù)上述所需要PLC電源、兩個(gè)移動(dòng)電機(jī)以及真空泵，設(shè)計(jì)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(guān)電源均通過變壓器連接到母線上;為了防止過載，將兩個(gè)移動(dòng)電機(jī)和真空泵通過過載保護(hù)器后再連接到母線上，使系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.4 觸摸屏選型

觸摸屏組態(tài)界面也常稱為人機(jī)界面，簡(jiǎn)稱HMI。它是用戶與操作系統(tǒng)之間溝通的橋梁，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于手機(jī)、社區(qū)服務(wù)、銀行自助服務(wù)和車載顯示等各類場(chǎng)景[10]。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的“語言”與人類語言的轉(zhuǎn)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(duì)儀器下達(dá)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(jī)設(shè)備給用戶傳達(dá)的信息，例如故障、報(bào)警、聲音、燈光等。一個(gè)良好的觸摸屏可以使操作過程變得更加簡(jiǎn)潔，在增加設(shè)備使用年限前提下，能使生產(chǎn)設(shè)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(shí)和故障報(bào)警等欄目，如圖14所示。

2.4.2 保護(hù)時(shí)間設(shè)置

系統(tǒng)的保護(hù)時(shí)間設(shè)置界面主要包含以下幾點(diǎn)：（1）機(jī)械手回原點(diǎn)限時(shí)（S）;（2）機(jī)械手升降限時(shí)（S）;（3）機(jī)械手側(cè)移限時(shí)（S）;（4）返回觸摸屏主界面。

在機(jī)械手工作中過程會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的危險(xiǎn)，設(shè)置保護(hù)時(shí)間是為了防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。這樣在機(jī)械手工作過程中能迅速關(guān)閉系統(tǒng)，以防止出現(xiàn)機(jī)械手和人體碰撞等重大的安全事故以及經(jīng)濟(jì)損失，系統(tǒng)參數(shù)保護(hù)界面如圖15所示。

2.4.3 系統(tǒng)報(bào)警界面

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SFC順序功能圖

搬運(yùn)物料機(jī)械手在自動(dòng)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(jié)合輸入輸出點(diǎn)的具體分配，就可以編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)控制功能。

3.2 自動(dòng)運(yùn)行程序

在生產(chǎn)過程中，通常情況下，機(jī)械手都處于自動(dòng)運(yùn)行模式。為實(shí)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(gè)SCR段，一個(gè)SCR段對(duì)應(yīng)于順序功能圖中的一步。當(dāng)選擇自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，啟用SCR指令S2.0，機(jī)械手開始向下運(yùn)動(dòng);機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到下限位時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)工位;機(jī)械手向右運(yùn)動(dòng)到達(dá)右極限位置時(shí)，則重新啟動(dòng)狀態(tài)S2.0，機(jī)械手進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)工業(yè)的批量生產(chǎn)。在機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行過程中無論機(jī)械手此時(shí)位于何種狀態(tài)，只要按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手都會(huì)自動(dòng)復(fù)位，回到狀態(tài)S1.0。自動(dòng)運(yùn)行程序如圖18所示。

3.3 報(bào)警

控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全性極其重要，因此轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)需要具備一個(gè)有效可靠的警報(bào)安全系統(tǒng)。通過設(shè)置保護(hù)時(shí)間，防止行程開關(guān)或者限位開關(guān)失靈時(shí)，機(jī)械手無休止移動(dòng)，甚至與生產(chǎn)物料或者機(jī)械臺(tái)發(fā)生碰撞，威脅人身安全。因此機(jī)械手通過吸盤吸取物料時(shí)，首先需要通過光電傳感器I1.5檢測(cè)物料臺(tái)上是否有物料。如沒有物料，線圈Q0.5發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員在物料臺(tái)上放入物料。當(dāng)機(jī)械手在移動(dòng)過程中發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，機(jī)械手自動(dòng)停止運(yùn)行，報(bào)警燈常亮。此時(shí)需操作人員進(jìn)入觸摸屏運(yùn)行報(bào)警界面人工復(fù)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(fù)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本真空機(jī)械手精確轉(zhuǎn)運(yùn)項(xiàng)目結(jié)合電氣控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)以及PLC應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了把工件從物料臺(tái)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)運(yùn)到流水線的功能。項(xiàng)目在滿足穩(wěn)定性、安全性和精度的基礎(chǔ)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(jī)械手采用PLC脈沖輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)沿縱向與橫向運(yùn)動(dòng)，通過發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位的功能;利用真空吸盤代替機(jī)械手手爪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的吸取與釋放。并研究完成了對(duì)機(jī)械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行安全精確的轉(zhuǎn)運(yùn)，使用效果良好。

文章主要完成了以下幾個(gè)方面的成果：（1）對(duì)完成精確轉(zhuǎn)運(yùn)目標(biāo)功能所需要的硬件包括伺服電機(jī)、光電傳感器、接近開關(guān)、氣壓傳感器及真空泵等進(jìn)行選型，并加以分析整合。（2）對(duì)所需的控制器PLC進(jìn)行選型、硬件配置和軟件編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)運(yùn)行組件的控制，尤其是對(duì)伺服電機(jī)的精準(zhǔn)步進(jìn)控制。（3）通過利用真空吸盤代替機(jī)械手手爪，對(duì)機(jī)械手硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和觸摸屏界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件吸取與釋放的柔性定位控制。

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