陳 力

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350)

一、引言

搬運機械手是自動化生產(chǎn)線中最為重要的工作單元，它能夠按照控制任務(wù)與要求，自動完成工件的抓取、放置與輸送的機械裝置，搬運機械手能夠完成很多單調(diào)、重復的工作，也可以替代人在惡劣的環(huán)境中完成工作任務(wù)，所以，搬運機械手極大地提高了勞動生產(chǎn)效率，加速了自動化生產(chǎn)水平的進程。本文以生產(chǎn)線中的搬運機械手工作站為例，闡述搬運機械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。

二、搬運機械手的結(jié)構(gòu)與控制功能

搬運機械手所執(zhí)行的操作過程是：由伺服電機帶動行走機械手，精確移動到指定工作單元的物料臺處，而后，機械手抓取物料臺上的工件，并把抓取到的工件輸送到指定地點后放下的功能。該工作單元在整個生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中擔任主站，它接收來自觸摸屏的系統(tǒng)主令信號，讀取網(wǎng)絡(luò)上各從站的狀態(tài)信息，然后進行綜合分析后，向各從站發(fā)送控制要求，協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)線工作。搬運機械手由四個氣缸構(gòu)成的抓取機械手組件、直線運動組件、拖鏈裝置、可編程控制器模塊、接線端子排和按鈕指示燈組件等部分組成。

(一)搬運機械手的基本結(jié)構(gòu)

工作站的結(jié)構(gòu)由西門子S7-200PLC、氣缸、電磁閥、匯流排、傳感器、位置開關(guān)、伺服驅(qū)動器及伺服電動機、直線導軌、滑動溜板、同步帶輪、拖鏈等組成。PLC發(fā)出高速脈沖指令給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機，通過同步輪、同步帶，拖動固定在滑動溜板上的搬運機械手沿直線導軌作往復運動，從而完成搬運工件的功能。

搬運機械手裝置是一個可以完成上升下降、伸出縮回、氣動手指的夾緊放松和沿垂直軸旋轉(zhuǎn)的四維運動的裝置，該機械裝置整體固定安裝在滑動溜板上，在傳動機構(gòu)的帶動下，能夠完成機械手往復直線運動，準確移動到自動生產(chǎn)線各個工作站的載料臺位置，完成放下和抓取工件的動作。其中，氣動手指用于實現(xiàn)在各工作單元載料臺上，完成放下和抓取物料的動作；伸縮氣缸完成機械手臂的縮回與伸出；擺動氣缸用于完成機械手臂90度的左右旋轉(zhuǎn)；升降氣缸完成機械手臂的下降與上升運動。

傳動機構(gòu)由直線導軌底座、伺服驅(qū)動器與電機、同步帶與同步輪、滑動溜板、直線導軌、拖鏈、原點位置開關(guān)和左右限位開關(guān)組成。伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)，拖動大溜板沿導軌作直線往復運動，從而實現(xiàn)移動機械手的直線運動。

移動機械手通過導軌起到支撐，電感接近開關(guān)安裝在直線導軌上，同時，還有右限位微動開關(guān)和左限位微動開關(guān)，原點電感式接近開關(guān)，作為行走機械手直線運動的起點，與滑動大溜板的金屬碰塊相配合，實現(xiàn)機械手的回原點定位功能。左右限位位置開關(guān)是有觸點的微動開關(guān)，在系統(tǒng)發(fā)生越程故障時起到保護作用，只要滑動大溜板上的金屬碰塊在運動中碰觸到左右極限位開關(guān)時，微動開關(guān)動作向系統(tǒng)發(fā)出故障信號。

(二)搬運機械手控制功能：

搬運機械手的運行目標是：將放置在加工單元載料臺上的物料，搬運放置到分揀單元的工作臺上，完成單次循環(huán)搬運物料的功能。分揀單元與加工單元均已固定到實訓工作臺面上，并且兩個工作單元的安裝位置，可以根據(jù)不同情況來確定，第一種情況，加工單元在系統(tǒng)原點位置，分揀單元在加工單元的左側(cè)位置，這樣，搬運機械手復位回到原點后，可以直接抓取物料；另一種情況，分揀單元在系統(tǒng)原點位置，加工單元在分揀單元的左側(cè)位置，這樣，搬運機械手復位回到原點后，需要移動一段距離，先到加工單元抓取物料；在返回至原點處，放置物料到分揀單元。下面以第二種情況為例來闡述，加工單元的載料臺上已放置了需要傳送的物料。具體流程如下：

1.搬運工作單元通電后，首先按下控制模塊中的紅色復位按鈕，執(zhí)行復位操作，如果搬運機械手沒在原點位置，則機械手將返回至系統(tǒng)原點，同時搬運機械手的各個氣缸均復位為初始狀態(tài)，即升降氣缸在下位，旋轉(zhuǎn)氣缸在右位，伸縮氣缸縮回，啟動手指張開；如果搬運機械手已經(jīng)在原點位置處，則機械手不運動。在復位過程中，指示模塊中的黃色指示燈HL1將以0.5秒為周期的頻率閃爍，提示機械手正在復位過程中。當機械手回到系統(tǒng)原點位置，同時各個氣缸均在初態(tài)位置，則系統(tǒng)復位操作完成，指示模塊中的黃色指示燈HL1將以常亮狀態(tài)指示。

2.系統(tǒng)在完成初始化復位操作后，可以開始運行，當按下控制模塊中的綠色起動按鈕后，系統(tǒng)啟動運行，指示模塊中的綠色指示燈HL2將會點亮，指示系統(tǒng)開始工作。

3.搬運機械手首先移動至加工單元的載料臺處抓取物料，抓取的操作流程為：機械手臂伸出，氣動手指夾緊，夾住物料，接下來機械手臂將會上升，手臂回縮，完成物料的抓取動作，這一流程是通過四個氣缸相互配合完成的。

4.搬運機械手完成抓取物料的動作后，接下來將會移動至分揀站載料臺處，即系統(tǒng)原點的位置。這一過程是通過PLC發(fā)出脈沖指令至伺服驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，拖動搬運機械手實現(xiàn)的，移動速度為250mm/s。

5.搬運機械手移動到分揀單元后停止，將夾持的物料放置到載料臺上，機械手放下物料的順序為：機械手臂伸出，然后手臂下降，氣動手指松開，放下物料，然后手臂回縮。

6.機械手放下物料動作完成后，一個工作周期結(jié)束。由于搬運機械手已在初始位置原點處，因此搬運機械手無需再執(zhí)行返回至原點的操作。

7.當加工站載料臺上再次放置了待運輸?shù)奈锪?，同時按下起動按鈕后，系統(tǒng)將會開始新周期的工作。

(三)PLC輸入輸出地址

搬運機械手工作站輸入輸出點較多。輸入信號包含按鈕等主令信號、傳感器信號、伺服驅(qū)動報警輸入信號等；輸出信號包含發(fā)送至伺服驅(qū)動器的脈沖與方向信號、機械手各個氣缸的電磁閥信號、狀態(tài)指示燈信號等。由于PLC需要輸出高速脈沖驅(qū)動伺服電動機，所以系統(tǒng)選用西門子200系列 S7-226CN晶體管輸出型。

三、PLC控制程序設(shè)計

(一)工作站控制程序的結(jié)構(gòu)：

搬運機械手的控制程序由五部分構(gòu)成，它們分別是主程序、運行子程序、放下工件子程序、抓取工件子程序和狀態(tài)顯示子程序；主程序的作用是完成系統(tǒng)初始化復位操作，系統(tǒng)的啟動與停止控制和調(diào)用子程序的操作；運行子程序的功能是執(zhí)行搬運機械手抓取物料，輸送及放置物料的操作；放下工件子程序的功能是完成放下物料的動作；抓取工件子程序的功能是完成抓取物料的動作；狀態(tài)顯示子程序的作用是顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。下面將主要闡述主程序中的尋參復位與運行子程序的編程思想。

(二)主程序中的尋參復位功能

在生產(chǎn)線的實際工作中，系統(tǒng)原點和各個工作單元的位置是根據(jù)生產(chǎn)要求確定的，搬運機械手的初始位置可能在原點的左側(cè)，也可能在原點的右側(cè)，各工作單元的位置也是可以變化的，所以每次系統(tǒng)啟動運行時，搬運機械手能夠快速、準確地尋找到起始原點就顯得十分重要。

S7-200 系列PLC有兩個內(nèi)置PTO發(fā)生器，用以建立高速脈沖串PTO輸出。一個發(fā)生器指定輸出點Q0.1，另一個發(fā)生器指定輸出點Q0.0，用于伺服電動機的速度和位置控制，有兩種編程方法可以實現(xiàn)內(nèi)置高速脈沖輸出功能，一種是通過編程軟件STEP7-Micro/WIN 環(huán)境中的“位控向?qū)А睂崿F(xiàn)高速脈沖的輸出配置；另一種方法是通過PLC的MAP指令庫函數(shù)實現(xiàn)。

1.采用“位控向?qū)А睂崿F(xiàn)高速脈沖的輸出

為了在程序編寫中，簡便的使用PTO脈沖輸出功能，編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了位控向?qū)Чδ?，使用該向?qū)Э梢栽谙鄬^少的時間里，完成PTO的組態(tài)功能，配置相關(guān)參數(shù)與數(shù)據(jù)，通過指令向?qū)瓿梢粋€PTO脈沖輸出時，系統(tǒng)會自動生成占空比為50%的高速脈沖，用于控制伺服電機或步進電機的運行，PLC內(nèi)置的PTO脈沖輸出功能的脈沖數(shù)量和周期，均可由PLC編程時加以控制，指令向?qū)傻奈恢弥噶?，可以控制伺服或步進電機的位置與速度。

運動包絡(luò)組態(tài)完成后，向?qū)詣优渲蒙伤膫€子程序，為了調(diào)用這些子程序，在編程時需要預置一個數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用于存儲子程序執(zhí)行時的各項數(shù)據(jù)與參數(shù)，存儲區(qū)所存儲的信息，要根據(jù)程序的需要進行調(diào)用。由分析可知，通過“位控向?qū)А笨梢詫崿F(xiàn)高速脈沖的輸出功能，然而，使用中的運動位移需要提前進行設(shè)定，所以一般用在不是很復雜的相對定位控制中，如果位置控制要求較為復雜，采用“位控向?qū)А睂崿F(xiàn)定位控制，編寫PLC程序?qū)⒆兊帽容^復雜。

2. 西門子S7-200 PLC MAP指令庫

MAP指令庫函數(shù)可應(yīng)用于較為復雜的定位控制，既可實現(xiàn)相對位置控制也可以實現(xiàn)絕對位置控制，下面討論采用 MAP指令庫函數(shù)來實現(xiàn)行走機械手尋參復位的解決方案。

MAP指令庫包含了MAP SERV Q0.1 和 MAP SERV Q0.0兩個庫函數(shù)， MAP SERVQ0.1用于PLC輸出點Q0.1和Q0.3的高速脈沖輸出，MAP SERVQ0.0用于輸出點Q0.0和Q0.2的高速脈沖輸出。其中，每個指令庫均有9個功能塊，兩個庫的各個指令功能是相同的，并且兩個庫可以同時用于同一個項目中。為了能夠正確使用MAP庫函數(shù)指令，需要為每個庫分配68字節(jié)的全局變量作為庫函數(shù)的背景數(shù)據(jù)塊，如圖1所示。

3. 尋找參考點的過程，由于機械手初始位置、起始方向與終止方向的不同，會出現(xiàn)多種情況，根據(jù)工作單元原點傳感器與搬運機械手的相對位置有兩種情況：第一種情況，搬運機械手的初始位置在原點傳感器的左側(cè)，原點傳感器位于右側(cè)，接近于右限位位置開關(guān)；第二種情況，搬運機械手的初始位置在原點傳感器的右側(cè)，原點傳感器位于左側(cè)，接近于左限位位置開關(guān)；以上兩種情況，搬運機械手工作單元的系統(tǒng)原點，均為原點傳感器中心線處。但是，無論那種情況，執(zhí)行尋參復位程序，系統(tǒng)都會反復尋找，直至碰塊遇到原點傳感器后停止。尋找參考點程序指令如圖2所示：

圖1 MAP指令庫存儲區(qū)分配

圖2 尋參指令梯形圖程序

由圖2可見，尋找參考點指令盒Q0_0_Home的使能端連接SM0.0，它是特殊內(nèi)部繼電器，SM0.0的位狀態(tài)始終為1，可用于指令盒使能端的連接或滿足編程中的語法要求；執(zhí)行端連接M0.0，它是內(nèi)部繼電器，用于在編程時的中間變量轉(zhuǎn)換，當M0.0接通時將啟動指令盒功能；參考點的絕對位移Position設(shè)置為0，當搬運機械手找到原點后，當前原點位置被設(shè)定為0，起始方向Start_Dir為正方向，即V0.0=1，其值可在數(shù)據(jù)塊或程序中改變。完成位Done連接位變量M0.1，用以存放運行完成信號，當原點位置找到后，內(nèi)部變量M0.1將被設(shè)定為1；故障位Error連接位變量M0.2。值得注意的是，在尋找參考點的過程中，需要事先關(guān)閉伺服驅(qū)動器的左右限位報警功能，待系統(tǒng)原點搜索完畢后，再恢復此功能實現(xiàn)系統(tǒng)限位保護，否則系統(tǒng)不能正常工作。

4.200 SMART PLC 中的尋參定位功能

(1)200 SMART PLC簡介

S7-200 SMART PLC 除了具有S7-200 PLC的基本功能外，還具有單機IO點數(shù)豐富，信號板擴展，工業(yè)以太網(wǎng)通信功能，能實現(xiàn)3軸100KHZ高速脈沖輸出等功能。S7-200 SMART PLC的編程軟件更為方便靈活。下面將結(jié)合搬運機械手的控制要求，簡要介紹200 SMART PLC的位置控制功能。

(2)200 SMART PLC 的位置控制

通過 200 SMART 的編程軟件中的運動向?qū)?，能夠很方便的實現(xiàn)3個軸的高速脈沖輸出組態(tài)，其中，測量類型可以選擇系統(tǒng)是按照工程單位或者脈沖進行測量的，如果選擇工程單位，需要按照選項的要求，測量基本單位等信息；在組態(tài)輸入引腳位置中，可以定義正限位、負限位和參考點等信息；在方向控制選項中，可以設(shè)置相位模式，包括單相兩輸出，雙相兩輸出，AB正交相兩輸出和單相1輸出，同時還可以選擇輸出極性，這樣，能夠更好地配合驅(qū)動器進行電機的定位控制；在組態(tài)參考點和搜索參數(shù)選項中，可以組態(tài)運動軸搜索參考點的順序，最為常用的有2種模式可以選擇，模式1為將參考點定位在原點區(qū)域的一側(cè)，模式2為將參考點定位在原點區(qū)域的中心，在運動機械手尋參定位控制中，只需要將搜索參數(shù)選項設(shè)定為模式2，即可實現(xiàn)運動機械手準確地尋找參考點，省去了程序的編輯，高效而且方便；運動向?qū)瓿蛇\動軸的組態(tài)后，將會生成13個運動控制子程序，在程序編輯中，根據(jù)需要選擇調(diào)用就可以了。

(3)200 SMART PLC 高速脈沖輸出優(yōu)勢

在運動控制的高速脈沖輸出功能上，與S7-200相比，200 SMART PLC 主機上可以通過Q0.0、Q0.1、Q0.3實現(xiàn)3個軸的脈沖輸出控制，脈沖頻率可從20HZ-100KHZ可調(diào)，輸出脈沖通過編程軟件上的指令向?qū)?，可以組態(tài)多種工作模式。200 SMART能夠?qū)崿F(xiàn)自動尋找參考點的功能，對步進電機或伺服電機實現(xiàn)精確定位控制；還可以實現(xiàn)測量系統(tǒng)工程單位的選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)相對控制、絕對控制和手動控制等模式的選擇，提供反沖補償。編程軟件中的運動控制面板，能夠?qū)M態(tài)包絡(luò)進行測試與監(jiān)控，方便檢查外部接線和調(diào)試每個包絡(luò)，并能夠查看和修改位控向?qū)У慕M態(tài)設(shè)置。

(三)機械手運行子程序：

機械手運行控制子程序是在整個PLC程序中，用來實現(xiàn)搬運、抓取和放下功能的，程序的編程思想是通過步進順控指令完成的，它是一個典型的步進順控單序列結(jié)構(gòu)，其功能流程圖如圖3所示，在運行狀態(tài)下，如果主程序中的主控標志位接通，則調(diào)用該子程序。

圖3 運行控制子程序功能流程圖

從圖3中可以看出，流程圖中采用狀態(tài)繼電器S代表每一個獨立的工作步，初始步在程序中的作用是等待啟動信號，當?shù)玫絾用詈?，系統(tǒng)流程將向下一步移動。啟動運行后，首先機械手會移動至加工站抓取物料，由安裝在氣缸上的傳感器檢測到抓取完成后，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到下一個工作步，實現(xiàn)搬運機械手輸送物料至原點，到達原點后執(zhí)行放下操作，將物料放置到分揀單元的載料臺上，由傳感器檢測放下完成后，程序?qū)⑻氐狡鹗疾?，待啟動命令后開始新一輪的工作。

機械手在執(zhí)行放下物料的工作步中，調(diào)用“放下工件”子程序；在執(zhí)行抓取物料的工作步中，調(diào)用“抓取工件”子程序。這兩個子程序都帶有參數(shù)輸出功能，當抓取或放下物料完成時，輸出參數(shù)為ON，傳遞給相應(yīng)的“放料完成” 標志位或“抓取完成”標志位，作為順序控制程序中步的轉(zhuǎn)移條件。

機械手在運動流程的不同運行階段，放下物料和抓取物料的動作順序是一樣的。采用子程序調(diào)用的方法來實現(xiàn)抓取和放下物料的動作，可以使控制程序的編寫簡化，程序采用順序控制步進指令，可以較方便的實現(xiàn)控制要求，機械手移動至加工站的梯形圖程序如圖4所示：

圖4 運送至裝配站梯形圖程序

由圖4可見，此部分程序采用MAP庫中的絕對控制指令，指令盒中的使能端連接SM0.0，運行執(zhí)行端連接左限位常閉點I0.2，由于系統(tǒng)原點與加工單元距離780mm，所以PLC需要向私服驅(qū)動器發(fā)送78000個脈沖，由于加工站在系統(tǒng)原點的左側(cè)靠近左限位，所以對搬運機械手而言運行方向是負的，因此指令盒中絕對位移Position輸入應(yīng)為-78000；速度輸入Velocity采用全局變量VD100，存放的是搬運機械手輸送時的移動速度，其數(shù)值可以在數(shù)據(jù)塊中定義,也可以在程序指令盒中直接輸入常數(shù)；完成位輸出連接位變量M7.5，用以存放指令盒運行完成的信息。

四、結(jié)束語

搬運機械手是在現(xiàn)代化智能制造領(lǐng)域廣泛用到的自動化裝置，它能夠替代人工完成重復、大強度的搬運工作，本文從機械手尋參復位和自動運行兩個角度出發(fā)，闡述了搬運機械手的結(jié)構(gòu)、控制功能和PLC程序設(shè)計，實踐證明機械手能夠可靠、穩(wěn)定地工作。