基于PLC的多種工作方式機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何光明，帥江華

(上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109)

1 設(shè)計(jì)需求

隨著我國物流行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷壯大，物流企業(yè)對(duì)貨品自動(dòng)化搬運(yùn)的作業(yè)需求量也不斷增多，傳統(tǒng)模式下，大多數(shù)物流企業(yè)主要依靠半自動(dòng)化機(jī)械手系統(tǒng)完成貨品的搬運(yùn)作業(yè)，存在自動(dòng)化程度低、人機(jī)交互性不強(qiáng)、工作方式單一等問題，制約著物流企業(yè)搬運(yùn)作業(yè)效率的提升。基于此，綜合應(yīng)用PLC、組態(tài)和機(jī)械手控制技術(shù)設(shè)計(jì)一款全自動(dòng)化、多工作方式和人機(jī)交互性更強(qiáng)的物流貨品搬運(yùn)系統(tǒng)，為解決物流企業(yè)的貨品自動(dòng)化搬運(yùn)問題提供全新的方案。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，整個(gè)機(jī)械手由電磁閥組、氣路模塊、限位傳感器和PLC聯(lián)合控制，選用了S7-200型PLC的I0.1～I(xiàn)0.4 4個(gè)輸入地址，其中，I0.1和I0.2分別與下限位和上限位傳感器連接，I0.3～I(xiàn)0.4分別與右限位和左限位傳感器連接；輸出選用了PLC的Q0.0～Q0.4 五個(gè)地址位，分別與下降、加緊、上升、右行、左行電磁閥線圈連接。實(shí)際工作時(shí)，在PLC程序的控制下，機(jī)械手可在A點(diǎn)抓取待搬運(yùn)的物流貨品，按照設(shè)計(jì)好的路線搬運(yùn)至B點(diǎn)，當(dāng)貨品被夾緊時(shí)，Q0.1被置位，當(dāng)貨品被松開時(shí)，Q0.1被復(fù)位。在機(jī)械手部件的選取上，選用SAR12-1400型擺臂沖壓機(jī)械手。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的功能操作面板設(shè)計(jì)如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的自動(dòng)、手動(dòng)、回原點(diǎn)等多種工作方式，在功能操作面板上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的操作按鈕。其中，I2.0～I(xiàn)2.4分別為手動(dòng)控制、回原點(diǎn)控制、單步控制、單周期控制、自動(dòng)連續(xù)控制與PLC外部輸入地址的連接點(diǎn)，I0.5～I(xiàn)1.2分別為手動(dòng)上升、左行、松開、下降、右行、夾緊按鈕與PLC外部輸入地址的連接點(diǎn)，I2.6為系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、I2.7為系統(tǒng)停止按鈕。此外，為保證在緊急情況或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速可靠地切斷負(fù)載電源，在功能操作面板上設(shè)置了“負(fù)載電源”和“緊急停車”按鈕，當(dāng)PLC運(yùn)行后按下“負(fù)載電源”按鈕，外部負(fù)載的KM線圈會(huì)通電并自鎖，為外部負(fù)載提供交流電信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可按下“緊急停車”按鈕斷開外部負(fù)載上的電源，以起到保護(hù)控制的作用。

圖2 系統(tǒng)功能操作面板設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件接線設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件接線圖如圖3所示，采用西門子S7-200 CPU 226型PLC作為硬件控制核心，按照如圖所示分配輸入和輸出地址端口，按照物流搬運(yùn)現(xiàn)場作業(yè)需求，設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)、回原點(diǎn)等多種工作方式，各方式的具體工作流程設(shè)計(jì)如下。

圖3 系統(tǒng)硬件接線圖

1)手動(dòng)方式。應(yīng)用I0.5～I(xiàn)1.2這6個(gè)按鈕控制機(jī)械手上升、下降、左行、右行、夾緊和松開貨品物料的單步操作，適用于針對(duì)物流貨品搬運(yùn)位置、位移的精準(zhǔn)調(diào)整。

2)自動(dòng)方式。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I2.6，機(jī)械手將從原點(diǎn)開始，按照“下降—抓取貨品—上升—右行—下降—放開—上升—左行”的規(guī)律循環(huán)進(jìn)行物流貨品搬運(yùn)自動(dòng)作業(yè)。

3)單周期方式。當(dāng)工作方式選擇按鈕調(diào)至單周期工作方式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕I2.6后，機(jī)械手能夠執(zhí)行一個(gè)單周期搬運(yùn)物流貨品作業(yè)，之后返回并停留至原點(diǎn)位置。

4)回原點(diǎn)方式。當(dāng)機(jī)械手沒有處在原點(diǎn)位置時(shí)，I2.1為高電平，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕I2.6時(shí)，機(jī)械手能夠返回到原點(diǎn)位置，之后等待自動(dòng)、手動(dòng)或單周期運(yùn)行指令。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序采用梯形圖語言編寫，按照順序功能流程的思路為主程序、公用子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序(包括循環(huán)連續(xù)搬運(yùn)程序、單周期搬運(yùn)程序)。其中主程序編寫中，以SM0.0作為公用程序的調(diào)用指令，當(dāng)系統(tǒng)上電后，自動(dòng)進(jìn)入到公用程序，之后由用戶選擇搬運(yùn)貨品工作方式，再執(zhí)行相應(yīng)的搬運(yùn)作業(yè)流程。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，在公用程序中設(shè)置了一些聯(lián)鎖程序，本系統(tǒng)的主程序和公用程序如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序及公用程序

3.3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

為提升系統(tǒng)應(yīng)用的交互性，應(yīng)用MCGS軟件和TPC7062K觸摸屏設(shè)計(jì)組態(tài)子系統(tǒng)。整個(gè)組態(tài)界面主要由機(jī)械手模塊、指示燈模塊、按鈕模塊3部分構(gòu)成，其中，機(jī)械手模塊調(diào)用了MCGS中的機(jī)械手空間、矩形控件等，并編寫了動(dòng)作腳本程序；指示燈模塊選取“指示燈2”控件，并與PLC的I0.5～I(xiàn)1.2地址位建立起邏輯變量關(guān)系，用于動(dòng)態(tài)地指示機(jī)械手的搬運(yùn)動(dòng)作；按鈕模塊選取“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”控件，并與I0.5～I(xiàn)2.7地址位建立起邏輯變量關(guān)系，用戶可在觸摸屏上按下相應(yīng)的按鈕，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程觸摸控制，系統(tǒng)的組態(tài)界面如圖5所示。

圖5 基于PLC的多種工作方式機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)并裝配完成后，應(yīng)用于某物流企業(yè)貨品搬運(yùn)現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)測試。測試指標(biāo)包括故障次數(shù)、平均響應(yīng)時(shí)間、搬運(yùn)成功次數(shù)。測試方案為：應(yīng)用系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行100次、300次、500次物流貨品的抓取和搬運(yùn)作用，收集測試指標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，以驗(yàn)證本系統(tǒng)的應(yīng)用有效性和可靠性，具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用測試統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行功能進(jìn)行測試的結(jié)果可知：分別進(jìn)行100次、300次和500次物流貨品搬運(yùn)作業(yè)過程中，系統(tǒng)故障發(fā)生率為0%，搬運(yùn)成功次數(shù)為100%，平均響應(yīng)時(shí)間約為1.3 s，說明本系統(tǒng)具有良好的作業(yè)特性，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足物流企業(yè)貨品自動(dòng)化搬運(yùn)的需求，具有良好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性和應(yīng)用性。此外，通過測試現(xiàn)場的人機(jī)交互應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：所設(shè)計(jì)的組態(tài)子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)貨品搬運(yùn)的遠(yuǎn)程交互控制，大大降低了人為硬件控制對(duì)系統(tǒng)元件的損耗率，有利于物流企業(yè)節(jié)約維護(hù)和更換機(jī)械搬運(yùn)手系統(tǒng)的成本。