搬运机械手的设计与实现

周 鹏

（汉江师范学院 汽车与电子工程系，十堰 442700）

机械手可以在高危险、高污染、高温度、高辐射等环境中代替人手完成零件的抓取、搬运、放置等工作，并且保证工作质量，提高劳动生产率，将人工从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个新的水平。气动机械手以压缩空气为传动介质，能快速、准确、稳定地完成动作任务，具有成本低、可控性好、搬运效率高等优点，在机械零件的加工、冲压、锻压、焊接等生产线上得到了广泛的应用[1-3]。但是，气动机械手手臂的工作行程、转位角度等都不可调，在一定程度上限制了气动机械手的使用。搬运机械手是典型的机电一体化产品，可以通过触摸屏随时调整手臂的移动距离和移动速度，数字化程度高，符合现代工业生产对机械手的要求。

1 搬运机械手总体方案设计

搬运机械手包括手爪、手臂和躯干[4]。手爪由气压驱动实现机械手对零件的抓紧和松开，由直流电机驱动实现手爪的旋转；手臂由步进电机驱动实现伸出、缩回、上升、下降和旋转等动作，能够准确、快速地把手爪送到指定的位置；躯干是安装手臂、传动机构和各种元件的机架。在运动机构的起点装有原点位置传感器（SQ1、SQ2、SQ5、SQ6），最大行程和最大转角位置装有限位传感器（SQ3、SQ4、SQ7），其中手爪旋转角度传感器SQ7的位置可调。图1所示为搬运机械手的结构示意。

图1 搬运机械手的结构示意Fig.1 Structure of the carrying manipulator

2 搬运机械手的机械传动设计

搬运机械手的动力源来自于电机和气压系统。为保证机构传动的精确性和灵敏性，搬运机械手运动和动力的转化机构采用螺旋转动机构，滚动螺旋副具备摩擦阻力小、寿命长、工作平稳、传动效率高、精度好等特点[5]，把步进电机的旋转运动转化为手臂的直线运动。通过控制脉冲个数控制步进电机转过的角位移，可以准确定位；通过控制频率可以改变电动机的转速，实现任意调速；通过方向控制可以实现电机的正转和反转[6]。手爪采用法兰盘安装，能够根据所抓物体的形状、材料、大小及时更换手爪类型，增加搬运机械手适应搬运零件多样性的需求。可以调节限位传感器SQ7的位置，改变手爪的转角。

3 搬运机械手的控制系统设计

3.1 控制系统组成

搬运机械手控制系统由PLC控制器、触摸屏、控制按钮、位置传感器（接近开关）等组成。

搬运机械手的动作流程为按下“复位”按钮，手爪和机械手臂回原点等待；按下“开始”按钮后，控制器（PLC）根据运动指令要求控制驱动设备（步进电机驱动器、电磁阀）来驱动执行机构（步进电机、气缸、直流电机）运动，完成零件的抓取、搬运和放置的动作。PLC接收来自传感器的检测信号，结合高速脉冲端口输出的脉冲个数、频率和方向控制端口的输出信号，在触摸屏上显示搬运机械手的运行状态。控制原理框图如图2所示。

图2 控制系统原理Fig.2 Schematic block diagram of control system

3.2 I/O端口的需求分析

搬运机械手在正常工作时，有8个位置传感器（接近开关）检测的数字信号送给PLC，考虑到控制系统的需求，还要设置3个控制按钮，分别实现“启动”、“停止”、“复位”功能，共需要11个数字信号输入端口。

PLC控制1台直流电机、1个电磁阀、3台步进电机、3个信号灯，需要3个高速脉冲输出端口、8个数字量信号输出端口。

3.3 PLC及触摸屏的选择

根据搬运机械手控制系统的组成及I/O端口信号的数量、类型等要求，同时按I/O端口20%～30%的备用原则[7]，选用西门子S7-200 SMART PLC，CPU型号为ST30，该型号CPU采用继电器输出方式，具有18个数字量输入端口、12个数字量输出端口（其中Q0.0、Q0.1和Q0.3为高速脉冲输出端口），完全满足系统要求。

触摸屏是人机交互界面，可以设置控制信号并送给控制器，也可以把控制器的信息显示出来。搬运机械手的触摸屏选用S7-200 SMART的触摸屏Basic HMI，作为系统上位监控界面。触摸屏与PLC之间采用RS485端口通讯。

3.4 驱动电路设计

驱动电路是保证电机和电磁阀准确动作的关键。PLC输出端口的高速脉冲信号和方向信号分别送给步进驱动器的PLS+端口和DIR+端口，控制步进电机的转速和转向。PLC数字端口输出的信号功率（0.75 W）不能直接驱动直流电机和电磁阀，需要由中间继电器进行转换。PLC控制步进电机主输出功能分配表如表1所示。

3.5 控制系统程序设计

系统的控制程序是搬运机械手完成动作的关键，搬运机械手的控制程序严格按照控制时序图编写。STEP 7-MicroWIN SMART是西门子PLC的编程软件，可以监控CPU程序的运行状态，梯形图式的编程方式简单直观，为程序的设计提供了便利。通过运动控制功能，可以控制高速脉冲的输出数量和频率，完成位移和调速等运动功能[8]。

表1 PLC控制步进电机功能分配表Tab.1 Distribution table of PLC control

S7-200 Smart PLC的高速脉冲端口输出的相对脉冲可以设置32条运动曲线，相对位置组态的曲线最多允许组态16个单独的步，每步都允许指定目标速度和位置，为搬运机械手实现精确控制和参数设置提供了便利，设置如图3所示。

图3 设置运动曲线每一步脉冲的频率和数量Fig.3 Sets the frequency and number of pulses for each step of the motion curve

PLC运动控制向导设置完成后，根据运动时序图编写搬运机械手的控制程序，经在线监控和反复调试，最终达到控制的要求，PLC控制伸缩步进电机驱动程序如图4所示。

图4 伸缩步进电机驱动程序Fig.4 Stepper motor driver

4 结语

采用S7-200 Smart PLC运动控制向导实现搬运机械手运动控制的设计，该系统具有定位准确、操作方便、易于实现的特点，可满足搬运机械手运动的要求。上位机采用触摸屏组态实现步进电机运动状态的监控和参数设置，方便工程技术人员调整搬运机械手运行时手指到达的位置。搬运机械手系统具有硬件组建周期短、精度高和易于维护和实现的优点，广泛应用后，可有效地增强企业的自动化水平，提高企业生产效率。

[1]范金玲.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].液压与气动，2010（7）：36-38.

[2]唐少琴.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].机械设计与制造工程，2016，45（5）：51-53.

[3]王月芹.基于PLC的机械手控制系统设计[J].液压与气动，2011（9）：41-43.

[4]晏永红.基于PLC控制的二维通用机械手设计研究[J].制造业自动化，2012，34（12）：127-130.

[5]陈立德，罗卫平.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2015.

[6]孙松丽，吴晓昉.基于S7-200 SMART PLC的自动焊接系统设计[J].制造业自动化，2014，36（11）：137-140.

[7]李海芹，姜印平，翟阳，等.基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机的控制设计[J].制造业自动化，2013，35（10）：47-50.

[8]党媚.基于S7-200Smart PLC的三轴运动控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（9）：92-94.