基于PLC的桁架機械手控制系統設計

莊亞文

(遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

摩擦塊工件一般都是用數控機床來加工生產的，中小企業在摩擦塊生產過程中，需要人工進行上料、下料和碼垛，并且每個工件的加工時間間隔較長，每個員工平均每個小時只搬運6～8次的工件，這樣就增加了不必要的人工成本，降低了整體的生產效率[1]。再有近年來，我國人口紅利正在逐年消失，勞動力增長速度持續下降，導致企業用工成本逐年上升，這些問題都制約了中小制造業的持續發展和不斷創新[2]。

針對企業的實際需求，要解決摩擦塊工件的自動上下料和碼垛問題，本文設計了一種基于PLC的桁架機械手控制系統，包括硬件系統的搭建和控制策略的設計。通過PLC、人機交互界面、伺服系統和變頻器搭建控制系統的硬件部分[3]；通過工控機編寫控制系統的控制策略；通過硬件和軟件的良好匹配，來實現摩擦塊工件從上料到下料再到碼垛的全自動化生產過程。

1 桁架機械手總體設計

對于該生產線的實際情況，要解決這一問題，勢必要用到工業機器人代替人工生產，這樣不但提高生產效率，還可以完成工人難以完成的或者危險的工作。桁架機械手是工業機器人的一個重要分支，它和關節機器人有所不同[4]。在速度方面，桁架機械手是直線運動，而關節機器人是插補運動，速度相對于前者要慢一些；在精度方面，由于工件體積較大，二種機器人都能滿足該摩擦塊工件的定位和抓取；在造價方面，關節機器人由于集成程度較高，都是各大機器人企業的核心設備，往往造價過高，而桁架機械手可以自行研發設計，所以在成本上有很大的優勢，也就是性價比很高；在該工況中，桁架機械手可以量身定制各方面的參數。綜上所述，由于桁架機械手有著諸多優勢，所以本文選用桁架機械手代替人工搬運。

桁架機械手的設計要結合工件特點和實際工況。常規的桁架機械手一般有三個軸，在笛卡爾坐標系中分別是X軸、Y軸和Z軸，但是三軸桁架機械手不符合該摩擦塊工件和實際工況[5]。本文提到的工件是一種摩擦塊工件，如圖1所示。該工件的外形類似于一個扇形，中間有2個圓孔，尺寸一般為300 mm*180 mm*10 mm，重量一般在6～8 kg,外表粗糙且不平整。根據摩擦塊工件外形尺寸和重量等特點，本文設計四軸桁架機械手，四個軸分別是X軸、Y軸、Z軸和C軸。X軸、Y軸、Z軸是線性運動，而C軸是旋轉運動。X軸、Y軸和Z軸是機械手的空間位置，C軸是調整機械手的抓取姿態，通過以上四個軸，從而完成工件的抓取。

本文設計的控制系統是對于摩擦塊工件進行自動化上下料和碼垛操作，主要系統結構包括：桁架機械手各軸、可編程邏輯控制器(PLC)、人機交互界面(HMI)、伺服驅動器、伺服電機、工控機等，圖2所示為該系統的結構圖[6]。通過人機交互界面組態系統畫面，與PLC建立Modbus-TCP通訊，從而實現I/O信號的采集；PLC執行操作者的命令，從而選擇合適的控制策略，并發送給機械手執行抓取動作，PLC和桁架機械手采用EtherCAT通訊；從而實現對同種工件的上下料，并且有傳感器檢測物料是否抓取正確。

2 硬件設計

桁架機械手控制系統采用PLC來實現系統的邏輯控制，根據工況的實際需求和成本預算，采用國產新代PLC系統，共32個I/O總點數，如圖3所示。輸入點包括控制面板部分(啟動、停止、循環、急停等)、機械手4個軸的限位開關、傳送帶的檢測和限位，變頻器的報警等；輸出點包括變頻器的控制、抓手的夾緊和放松、三色燈等；并且該系統的冗余為10%，能夠滿足該工況的實際需求[7]。

人機交互界面可以實現操作者和機械手的溝通橋梁，可以理解為六軸機器人的示教器。本文選用7英寸的觸摸屏，對桁架機械手和操作畫面進行組態，方便生產人員進行操作和監控。PLC和HMI用 Modbus-TCP進行通訊。

通過分析桁架機械手的負載情況，從轉速、轉矩等方面對伺服電機進行選型[8]。X軸、Y軸和Z軸伺服電機要配合絲杠傳動機構，其中X軸、Y軸和Z軸選用額定功率1 kW、額定扭矩3.18 N·M的伺服電機；C軸伺服電機要配合減速箱使用，C軸選用額定功率0.75 kW、額定扭矩2.39 N·M的伺服電機，減速箱選用5 ∶1的傳動比；伺服驅動器用于接收PLC的控制信號，然后驅動伺服電機工作。伺服驅動器有單個模組的也有集成模組的。為節約空間成本和預算成本，本文選用4合1伺服驅動器并帶有電池模塊，電池模塊保護機械手原點位置不丟失，將X軸、Y軸、Z軸和C軸的電機動力線纜和編碼器線纜一起連接到伺服驅動器上。系統的PLC、人機交互界面、伺服電機和伺服啟動器組成桁架機械手的電氣核心部分，如圖4所示。

當然還有其他部分，氣動抓手通過氣缸的伸出與縮回來實現工件的抓取；限位傳感器實現各軸的硬限位保護；工件傳感器檢測是否抓到工件；光電開關用于檢測工件是否碼垛到位；傳送帶用于工件的移動；安全門和插銷用于保護操作者進入作業區域。通過上述各部分來搭建四軸桁架機械手。搭建完成如圖5所示。

3 軟件設計

根據桁架機械手的實際工作情況，針對PLC編寫控制策略；然后對HMI進行組態和編程；設置伺服驅動器的控制參數。

本文采用新代PLC作為控制系統，采用LadEditor軟件編寫桁架機械手的控制策略。首先對PLC的I/O點進行分配，具體如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

PLC編程采用最直觀的梯形圖編程方法，由于梯形圖是最廣泛的PLC編程語言，也為后續的生產維護提供了便利。根據實際工況，一個循環周期控制策略如下，機械手切換到自動模式，首先桁架機械手X軸、Y軸、Z軸和C軸回到各自原點；然后抓取毛坯件，傳感器檢測到毛坯件后；機械手運動到上料點，進行上料操作；機械手回到安全點，機床加工毛坯件；機械手等待毛坯件加工完成信號，進行下料操作；抓取成品件運動到安全點；再運動到放料點，進行碼垛操作；傳感器檢測碼垛完成后，機械手回到原點位置。完成一個工件的上下料和碼垛操作流程，然后進行循環操作。控制流程如圖6所示。

人機界面采用觸摸屏來實現交互，對桁架機械手和操作畫面進行組態，功能和畫面一定要對操作者友好，方便操作者進行生產和反饋。首先建立PLC和HMI的通訊，PLC和HMI的通訊方式采用EtherCAT方式。PLC和HMI部分通訊參數見表2。

表2 部分參數

組態畫面包括包括機械手的實時坐標、目標坐標、速度、時間和模式等，如圖7所示。

4 試驗研究

基于PLC的桁架機械手控制系統搭建完成，通過對摩擦塊工件不同位置的擺放，工件在X軸方向和Y軸方向擺放不同位置，并且角度在0～180°不同位置，如圖7所示，進行該系統的測試，完成了200余次的試驗，系統能順利完成對同種工件的上下料和碼垛操作。由于試驗次數在200次以上，取了比較有代表性的數據結果，如表3所示。

表3 部分試驗結果

由表3數據可得，基于PLC的桁架機械手控制系統在的工件中心坐標(X,Y,Z)和實際的工件坐標(X,Y,Z)之間的誤差為0.6～1.4 mm，坐標角度(C)誤差在0.1～0.6°之間，定位精度滿足機械手的抓取，并能夠碼垛到指定位置。綜上所述，該試驗結果滿足我們預期的控制要求，同時也很好的滿足企業的實際生產需求。

5 結語

針對某企業生產線實際需求，本文設計了基于PLC的桁架機械手整體系統。桁架機械手的控制系統搭建主要包括PLC、HMI、伺服驅動器和伺服電機。在實際工況中，機械手對工件逐一進行上下料和碼垛，經過反復試驗，該系統定位精度完全滿足機械手的抓取需求，并且自動化程度得到了極大的提高，達到了企業預期的生產需求。作者認為，本文所設計的系統具有一定的實用價值和推廣價值。但是針對復雜工況還需要進一步提高和完善機械手的適應環境能力。