邱海強

（廈門興才職業(yè)技術學院，福建 廈門 361024）

工程技術與應用

氣動式智能機械手的設計

邱海強

（廈門興才職業(yè)技術學院，福建 廈門 361024）

該項目可用于學生實踐訓練，促進學生對實際工程器件的感性認識，能真實地反映工作現(xiàn)場的實際情況。并實現(xiàn)三個結合：將工作任務與學習任務相結合、工作過程與學習過程相結合、工作內(nèi)容與學習內(nèi)容相結合。有利于提高學生實際動手能力和解決問題的能力，教學真正做到學以致用。該項目以空氣壓縮機作為動力源，用氣缸構成機械手，利用上位機發(fā)出指令，PLC控制電磁閥動作，驅動機械手完成工藝加工流程。項目極大提高學生學習興趣，真正做到教學做一體和工學結合。

學以致用；機械手；工學結合

1 引言

氣動式智能機械手可依據(jù)需要自動完成物件抓取和搬移。系統(tǒng)以觸摸屏為上位機、PLC為控制器、氣動機械手為受控對象，上位機發(fā)出指令去控制下位機，下位機驅動機械手完成相關作業(yè)，利用上下位機的雙向通訊對作業(yè)過程進行實時控制與監(jiān)控以實現(xiàn)人機交互目的。

項目研究意義是針對勞動密集型企業(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，如果能以機械手代替人工作業(yè)，可以對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行轉型升級。這將有利于生產(chǎn)過程的自動化、節(jié)約人力成本、提高產(chǎn)品質量和工效，也有利于實現(xiàn)聯(lián)機控制形成柔性生產(chǎn)線，順利地完成生產(chǎn)任務。

項目研究內(nèi)容是設計機械手及上、下位機的工作程序，實現(xiàn)機械手臂通過坐標位置完成復雜空間運動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程中物件抓舉和搬移，布局簡略、運動直觀，它采用上、下升降臂加上平移結構，機械手的動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，而電磁閥由PLC控制，而PLC又接收上位機的指令，按指令要求完成相關的工藝過程，研究成果為接近工業(yè)生產(chǎn)實際的氣動式智能機械手設計。

2 《氣動式智能機械手》硬件設計

2.1 實訓工作臺的制作

首先，利用30*30（cm）的鋁合金制作一個長0.6米,寬0.5米,高0.4米的實驗臺，實驗臺前面做個20cm*30cm框架安放觸摸屏，在水平機架上方安裝一個長、寬、高分別為60*36*2(cm)的生態(tài)板，在木板上安放過濾器、電磁換向閥、機械手（三個氣缸組成）等相關器件及緊固件。后面垂直機架上安裝一個長、寬、高60*40*2（cm）的生態(tài)板，安放一個電源開關、二個開關穩(wěn)壓電源，一個PLC及四個線槽。所有的部件與生產(chǎn)線上的相關部件類似，學生可以看到實實在在控制部件如氣缸、空氣過濾器、氣缸位置檢測傳感器，電磁換向閥等。

2.2 硬件制作與配置

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

具體配置如下：7寸臺灣產(chǎn)威綸觸摸屏TK6070iQ一臺，方形氣缸Sc40*75-s一個，扁形氣缸TN16*75一個，手爪MHZ2-16D一個，磁性開關：Cs1-J二個，D-A93二個，Pc6-02二個，過濾器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，匯流排200M-3F一只，空壓機OTS-550型0.7MPa一臺，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DZ47-63/C6一個，開關電源NES-35-24二個。

2.3 氣動回路的設計

機械手升降使用一個雙作用氣缸（Sc40*75-s），采用五通三位雙線圈電磁閥（4V230-08）驅動，機械手左右位移也采用一個雙作用氣缸（TN16*75），采用五通三位的雙線圈電磁閥（4V230-08）驅動；機械手的抓舉動作，使用一個單作用氣缸（MHZ2-16D），采用五通二位的單線圈電磁閥（4V210-08）驅動。氣源來自一個空壓機，在空壓機與換向電磁閥之間接有一個氣動三元件，完成空氣過濾、壓力調(diào)節(jié)、油霧濾除等。[1]

為防止電磁換向閥工作時干擾觸摸屏工作，采用兩個獨立的開關穩(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 《氣動式智能機械手》軟件設計

3.1 人機界面（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，用以實現(xiàn)操作人員與PLC之間的對話。利用專用組態(tài)軟件在PC機上對將使用的觸摸屏的畫面及畫面中的各元素進行組態(tài)，組態(tài)完畢下載到觸摸屏中，操作人員就可以通過屏上的圖形按鈕控制PLC運行相應的工作程序，從而控制機械手依據(jù)需要工作在不同的狀態(tài)。[2]

觸摸屏與PLC的通信通過串行口進行，觸摸屏中安裝有操作系統(tǒng)，其核心部件是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的載體就是外部變量，通過外部變量可以把觸摸屏與PLC實時對接。機械手的運行位置，通過傳感器反饋給PLC，再由PLC送給觸摸屏，以便監(jiān)視作業(yè)現(xiàn)場。

觸摸屏的使用實現(xiàn)人機交互的良好界面，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機打開組態(tài)軟件，并利用組態(tài)軟件在PC機上組態(tài)六幅畫面，分別為初始畫面、機械手工作模式切換畫面、手動控制畫面、機械手回原點控制畫面、機械手單周期控制畫面、機械手單步畫面，并在每一幅畫面上組態(tài)相應的畫面切換按鈕、動作控制按鈕、機械手工作方式切換鈕、返回首頁按鈕及狀態(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中任意選擇，在組態(tài)畫面時選擇添加畫面就可以，在PC機中將組態(tài)好的各個畫面下載到觸摸屏中，給觸摸屏供電并開機就可以在觸摸屏中看到各個已組態(tài)好的工作畫面。此時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)控數(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，進入元件屬性選擇窗口，在一般屬性選項卡中設置按鈕功能為切換窗口，并設置好切換到第幾號窗口，在圖片選項卡中，選中圖庫中的合適的按鈕外形和顏色。

在標簽選項卡中，選擇好圖形按鈕的字體內(nèi)容、字號后，點擊確定就組態(tài)好一個按鈕，其它每幅畫面中的切換按鈕如：回原點按鈕、自動按鈕、手動按鈕、單周期按鈕、單步按鈕都是畫面切換按鈕，組態(tài)過程一樣，只不過是切換到畫面的編號和文本不一樣而已。

2）畫面控制按鈕的組態(tài)：

點擊元件菜單，會出現(xiàn)下拉菜單，選擇開關，再點擊狀態(tài)設置命令，會彈出1個位狀態(tài)設置元件屬性窗口，在一般屬性選項卡中選擇好按鈕對應的外部變量的地址，這個地址（如M0）就是PLC的儲存器地址，再點擊圖片選項卡，在圖庫中選擇好按鈕的外形及外觀顏色，其它選項卡采用系統(tǒng)默認則可。

在開關屬性文本框中要選擇好開關的類型，按實際的使用需要而定，有多種類型可供選擇，這里的回原點模式按鈕為復歸型（點動性質），其它選項為默認。這樣按鈕的組態(tài)完畢，其它畫面中的不同按鈕可依據(jù)此方法進行相應的設置，當點擊屏上的按鈕，就能改變這個外部變量的狀態(tài)，從而控制程序的運行狀態(tài)。

3）指示燈的組態(tài)過程：

點擊元件菜單，會出現(xiàn)下拉菜單，選擇指示燈，再單擊位狀態(tài)指示會彈出1個位狀態(tài)指示燈元件屬性窗口，在一般屬性選項卡中選擇指示燈對應的外部變量的地址，這個地址（Y0）就是PLC的儲存器地址。

再點擊圖片選項卡，在圖庫中選擇好指示燈的外形及不同狀態(tài)下對應的顏色，其它選項卡采用系統(tǒng)默認則可，這樣指示燈的組態(tài)完畢，當PLC程序運行過程中，這個位地址發(fā)生變化時，會把信息送給屏上組態(tài)好的圖形指示燈。

3.3 PLC程序設計

圖3-1

機械手是PLC的被控對象，主要完成對工件的抓舉和搬移，機械手設置有五種工作方式，分別是原點回歸工作方式、手動控制方式、單步運行方式、單周期運行方式、自動運行方式，PLC程序設計要能控制機械手完成上述五種工作方式的實現(xiàn)，這些工作方式既能提供發(fā)生緊急情況時處理措施，又能為程序調(diào)試操作提供便利。

其中手動控制主要用于系統(tǒng)檢修和測試，當任務執(zhí)行時所涉及到的環(huán)節(jié)都正常時，自動控制方式才能運行，自動工作方式是機械手智能運行的核心，通過編寫自動程序才能實現(xiàn)工藝流程的自動化作業(yè)，使機械手代替人工操作成為可能，從而提高工效。機械手處于零點位置才能啟動自動循環(huán)系統(tǒng)工作，如不在零點可以啟動自動回原點程序或手動程序讓機械手處在原點位置。程序設計流程如圖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)的設定

打開PLC編程軟件，右鍵單擊菜單中的PLC選項，在跳出的子菜單中選擇串行口設置，會出現(xiàn)一個通訊參數(shù)設置畫面，在每個文本框中逐一輸入7個數(shù)據(jù)位，采用偶校驗，1個停止位，通訊速率為9600bps，其它采用默認值。

4 結束語

依托這套設備，學生可以通過外部按鈕控制PLC實現(xiàn)機械手自動運行、手動運行、自動回原點運行、單周期運行、單步運行等工作模式。同時還可利用這套設備學習組態(tài)軟件的使用，學會利用通過觸摸屏控制PLC實現(xiàn)機械手各種工作狀態(tài)，充分利用上位機制作各種工作畫面來監(jiān)視機械手的各個工作過程。

學生還可以了解氣動控制元件構造、動作過程、連接形式，學會依據(jù)負載需要選擇器件的類型，會設計氣動回路。這套設備還可以與前期制作的《物料判別與傳送》設備進行有效對接，使用機械手將工件搬移到傳送帶上，由傳送帶邊上設置傳感器完成對金屬、非金屬工件進行檢測，并能做到正確篩選?？稍O置電氣回路、氣動回路的故障讓學生去排除，提高學生的排故障能力。

[1]李允文.工業(yè)機械手的設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015. 05.

[2]廖常初.西門子人機界面組態(tài)技術與應用技術[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2016.03.

[3]臺灣威綸公司.威綸觸摸屏組態(tài)技術，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

福建教育廳科技項目（A類）“氣動式教學型智能機械手的研制”（編號：2015kxyj13）

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