气动式智能机械手的设计

邱海强

（厦门兴才职业技术学院，福建 厦门 361024）

工程技术与应用

气动式智能机械手的设计

邱海强

（厦门兴才职业技术学院，福建 厦门 361024）

该项目可用于学生实践训练，促进学生对实际工程器件的感性认识，能真实地反映工作现场的实际情况。并实现三个结合：将工作任务与学习任务相结合、工作过程与学习过程相结合、工作内容与学习内容相结合。有利于提高学生实际动手能力和解决问题的能力，教学真正做到学以致用。该项目以空气压缩机作为动力源，用气缸构成机械手，利用上位机发出指令，PLC控制电磁阀动作，驱动机械手完成工艺加工流程。项目极大提高学生学习兴趣，真正做到教学做一体和工学结合。

学以致用；机械手；工学结合

1 引言

气动式智能机械手可依据需要自动完成物件抓取和搬移。系统以触摸屏为上位机、PLC为控制器、气动机械手为受控对象，上位机发出指令去控制下位机，下位机驱动机械手完成相关作业，利用上下位机的双向通讯对作业过程进行实时控制与监控以实现人机交互目的。

项目研究意义是针对劳动密集型企业有许多生产环节都采用人工操作，效率及产能不高，如果能以机械手代替人工作业，可以对生产环节进行转型升级。这将有利于生产过程的自动化、节约人力成本、提高产品质量和工效，也有利于实现联机控制形成柔性生产线，顺利地完成生产任务。

项目研究内容是设计机械手及上、下位机的工作程序，实现机械手臂通过坐标位置完成复杂空间运动，从而实现生产过程中物件抓举和搬移，布局简略、运动直观，它采用上、下升降臂加上平移结构，机械手的动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，而电磁阀由PLC控制，而PLC又接收上位机的指令，按指令要求完成相关的工艺过程，研究成果为接近工业生产实际的气动式智能机械手设计。

2 《气动式智能机械手》硬件设计

2.1 实训工作台的制作

首先，利用30*30（cm）的铝合金制作一个长0.6米,宽0.5米,高0.4米的实验台，实验台前面做个20cm*30cm框架安放触摸屏，在水平机架上方安装一个长、宽、高分别为60*36*2(cm)的生态板，在木板上安放过滤器、电磁换向阀、机械手（三个气缸组成）等相关器件及紧固件。后面垂直机架上安装一个长、宽、高60*40*2（cm）的生态板，安放一个电源开关、二个开关稳压电源，一个PLC及四个线槽。所有的部件与生产线上的相关部件类似，学生可以看到实实在在控制部件如气缸、空气过滤器、气缸位置检测传感器，电磁换向阀等。

2.2 硬件制作与配置

机械手由三个气缸组合而成，一个完成机械手的上升和下降动作，一个完成机械手的左右移动，还有一个气缸完成物件的抓举动作，三个气缸使用两块尼龙板连接而成。实现机械手上下动作和左右动作的两个气缸由一块6*10*0.5（cm）尼龙板连接而成，板上有三个连接孔位采用4*6的螺丝紧固，实现机械手抓举动作与左右移动的两个气缸由4*6*0.5（cm）的尼龙板连接而成，板有两个连接孔位采用4*6的螺丝紧固。

具体配置如下：7寸台湾产威纶触摸屏TK6070iQ一台，方形气缸Sc40*75-s一个，扁形气缸TN16*75一个，手爪MHZ2-16D一个，磁性开关：Cs1-J二个，D-A93二个，Pc6-02二个，过滤器AC2010-02一只，节流阀：AS1201F-M5-06四只，Zsl6-02二只，电磁阀：4V230-08二只，4V210-08一只，PLC：FX1s-20MR一台，汇流排200M-3F一只，空压机OTS-550型0.7MPa一台，金属物料采用铝锭加工5*3*2（cm）1只，非金属物料采用塑胶加工 5*3*2（cm）2只，空气开关DZ47-63/C6一个，开关电源NES-35-24二个。

2.3 气动回路的设计

机械手升降使用一个双作用气缸（Sc40*75-s），采用五通三位双线圈电磁阀（4V230-08）驱动，机械手左右位移也采用一个双作用气缸（TN16*75），采用五通三位的双线圈电磁阀（4V230-08）驱动；机械手的抓举动作，使用一个单作用气缸（MHZ2-16D），采用五通二位的单线圈电磁阀（4V210-08）驱动。气源来自一个空压机，在空压机与换向电磁阀之间接有一个气动三元件，完成空气过滤、压力调节、油雾滤除等。[1]

为防止电磁换向阀工作时干扰触摸屏工作，采用两个独立的开关稳压电源分别给触摸屏及电磁换向阀线圈供电，两者的供电电压均为直流24伏。

3 《气动式智能机械手》软件设计

3.1 人机界面（触摸屏）与组态软件的概述

触摸屏是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁，用以实现操作人员与PLC之间的对话。利用专用组态软件在PC机上对将使用的触摸屏的画面及画面中的各元素进行组态，组态完毕下载到触摸屏中，操作人员就可以通过屏上的图形按钮控制PLC运行相应的工作程序，从而控制机械手依据需要工作在不同的状态。[2]

触摸屏与PLC的通信通过串行口进行，触摸屏中安装有操作系统，其核心部件是数据库系统，数据的载体就是外部变量，通过外部变量可以把触摸屏与PLC实时对接。机械手的运行位置，通过传感器反馈给PLC，再由PLC送给触摸屏，以便监视作业现场。

触摸屏的使用实现人机交互的良好界面，不仅给操作人员提供方便，也减小了外部接线，提高系统的可靠性。

3.2 触摸屏画面及画面中各元素组态

3.2.1 触摸屏的画面组态

利用PC机打开组态软件，并利用组态软件在PC机上组态六幅画面，分别为初始画面、机械手工作模式切换画面、手动控制画面、机械手回原点控制画面、机械手单周期控制画面、机械手单步画面，并在每一幅画面上组态相应的画面切换按钮、动作控制按钮、机械手工作方式切换钮、返回首页按钮及状态指示灯。

每一幅画面之间可相互切换，每幅画面的背景可在图库中任意选择，在组态画面时选择添加画面就可以，在PC机中将组态好的各个画面下载到触摸屏中，给触摸屏供电并开机就可以在触摸屏中看到各个已组态好的工作画面。此时用通讯线将触摸屏与PLC连接在一起，就能在两者间传送指令与回传监控数据。[3]

3.2.2 触摸屏画面按钮及指示灯的组态

1）画面切换钮的组态：

利用工具栏中的功能键，进入元件属性选择窗口，在一般属性选项卡中设置按钮功能为切换窗口，并设置好切换到第几号窗口，在图片选项卡中，选中图库中的合适的按钮外形和颜色。

在标签选项卡中，选择好图形按钮的字体内容、字号后，点击确定就组态好一个按钮，其它每幅画面中的切换按钮如：回原点按钮、自动按钮、手动按钮、单周期按钮、单步按钮都是画面切换按钮，组态过程一样，只不过是切换到画面的编号和文本不一样而已。

2）画面控制按钮的组态：

点击元件菜单，会出现下拉菜单，选择开关，再点击状态设置命令，会弹出1个位状态设置元件属性窗口，在一般属性选项卡中选择好按钮对应的外部变量的地址，这个地址（如M0）就是PLC的储存器地址，再点击图片选项卡，在图库中选择好按钮的外形及外观颜色，其它选项卡采用系统默认则可。

在开关属性文本框中要选择好开关的类型，按实际的使用需要而定，有多种类型可供选择，这里的回原点模式按钮为复归型（点动性质），其它选项为默认。这样按钮的组态完毕，其它画面中的不同按钮可依据此方法进行相应的设置，当点击屏上的按钮，就能改变这个外部变量的状态，从而控制程序的运行状态。

3）指示灯的组态过程：

点击元件菜单，会出现下拉菜单，选择指示灯，再单击位状态指示会弹出1个位状态指示灯元件属性窗口，在一般属性选项卡中选择指示灯对应的外部变量的地址，这个地址（Y0）就是PLC的储存器地址。

再点击图片选项卡，在图库中选择好指示灯的外形及不同状态下对应的颜色，其它选项卡采用系统默认则可，这样指示灯的组态完毕，当PLC程序运行过程中，这个位地址发生变化时，会把信息送给屏上组态好的图形指示灯。

3.3 PLC程序设计

图3-1

机械手是PLC的被控对象，主要完成对工件的抓举和搬移，机械手设置有五种工作方式，分别是原点回归工作方式、手动控制方式、单步运行方式、单周期运行方式、自动运行方式，PLC程序设计要能控制机械手完成上述五种工作方式的实现，这些工作方式既能提供发生紧急情况时处理措施，又能为程序调试操作提供便利。

其中手动控制主要用于系统检修和测试，当任务执行时所涉及到的环节都正常时，自动控制方式才能运行，自动工作方式是机械手智能运行的核心，通过编写自动程序才能实现工艺流程的自动化作业，使机械手代替人工操作成为可能，从而提高工效。机械手处于零点位置才能启动自动循环系统工作，如不在零点可以启动自动回原点程序或手动程序让机械手处在原点位置。程序设计流程如图3-1所示。

3.4 I/O接线图

如图3-2所示：

图3-2 I/O接线图

3.5 PLC通讯参数的设定

打开PLC编程软件，右键单击菜单中的PLC选项，在跳出的子菜单中选择串行口设置，会出现一个通讯参数设置画面，在每个文本框中逐一输入7个数据位，采用偶校验，1个停止位，通讯速率为9600bps，其它采用默认值。

4 结束语

依托这套设备，学生可以通过外部按钮控制PLC实现机械手自动运行、手动运行、自动回原点运行、单周期运行、单步运行等工作模式。同时还可利用这套设备学习组态软件的使用，学会利用通过触摸屏控制PLC实现机械手各种工作状态，充分利用上位机制作各种工作画面来监视机械手的各个工作过程。

学生还可以了解气动控制元件构造、动作过程、连接形式，学会依据负载需要选择器件的类型，会设计气动回路。这套设备还可以与前期制作的《物料判别与传送》设备进行有效对接，使用机械手将工件搬移到传送带上，由传送带边上设置传感器完成对金属、非金属工件进行检测，并能做到正确筛选。可设置电气回路、气动回路的故障让学生去排除，提高学生的排故障能力。

[1]李允文.工业机械手的设计[M].北京：机械工业出版社，2015. 05.

[2]廖常初.西门子人机界面组态技术与应用技术[M]，北京：机械工业出版社，2016.03.

[3]台湾威纶公司.威纶触摸屏组态技术，内部资料，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

福建教育厅科技项目（A类）“气动式教学型智能机械手的研制”（编号：2015kxyj13）

邱海强（1969-），男，福建省松溪县人，讲师，研究方向：工业自动化控制。