農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)加工機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

胡志榮

（江西新能源科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余 338000）

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)模式下中小型農(nóng)產(chǎn)品的搬運(yùn)加工通常采用手工操作方式，效率低下且容易造成誤差。為提升農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)加工的自動(dòng)化水平，本文以西門子S7-200 型PLC 為核心處理器，聯(lián)合機(jī)械手臂、光電傳感器、氣動(dòng)控制模塊、組態(tài)模塊等設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全，具有生產(chǎn)實(shí)用價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)加工機(jī)械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能有：①進(jìn)行中小型農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)抓取、移動(dòng)搬運(yùn)、定點(diǎn)卸載操作；②執(zhí)行中小型農(nóng)產(chǎn)品的包裝和存儲(chǔ)搬運(yùn)操作；③對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)各單元模塊進(jìn)行觸屏控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等操作；④自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生的故障問題，如：掉料、過載、產(chǎn)品積壓、空轉(zhuǎn)等，發(fā)出聲光報(bào)警提示并自動(dòng)斷電?；谏鲜龉ぷ餍枨髮?duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要以西門子S7-200 型PLC 為硬件核心，外接光電傳感器、移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手臂、存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手臂、組態(tài)觸摸屏、聲光報(bào)警模塊、落料機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)、電源等。其中PLC 為系統(tǒng)程序運(yùn)行和處理的核心部件，光電傳感器用于檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)、定點(diǎn)卸載和包裝加工操作的進(jìn)度，組態(tài)觸摸屏用于對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸摸遠(yuǎn)程控制，落料機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)是農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)包裝的平臺(tái)，聲光報(bào)警模塊用于對(duì)過載、空轉(zhuǎn)、掉料等故障進(jìn)行識(shí)別報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程邏輯控制器選型

可編程邏輯控制器是本系統(tǒng)控制機(jī)械手搬運(yùn)、包裝和移位的核心處理器。其工作原理為：通過編譯邏輯順序控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手抓取、移位搬運(yùn)、卸載農(nóng)產(chǎn)品至落料機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)指定位置，光電傳感器檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品落料到位，啟動(dòng)存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手包裝農(nóng)產(chǎn)品，實(shí)時(shí)檢測(cè)包裝進(jìn)度，包裝完成后存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手便將完成包裝的農(nóng)產(chǎn)品統(tǒng)一搬運(yùn)至存儲(chǔ)區(qū)。此外，過程中如果發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警提示并斷電。為有效執(zhí)行上述邏輯操作過程，研究選擇西門子公司研發(fā)的S7-200型PLC 作為核心處理器。

2.2 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的機(jī)械手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由擺動(dòng)氣缸、定位螺旋、手爪、磁性開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)氣缸、節(jié)流閥、雙聯(lián)氣缸、接近開關(guān)、緩沖閥、支架等機(jī)械機(jī)構(gòu)組成。其中，擺動(dòng)氣缸用于控制手臂左右移位搬運(yùn)農(nóng)產(chǎn)品；定位螺旋用于控制手臂左右擺動(dòng)的幅度；手爪是抓取搬運(yùn)的農(nóng)產(chǎn)品的主要部件；磁性開關(guān)用于檢測(cè)手爪和手臂動(dòng)作的限位；標(biāo)準(zhǔn)氣缸是手爪上升下降的供能機(jī)構(gòu)；節(jié)流閥用于控制手臂手爪動(dòng)作的速度；雙聯(lián)氣缸用于給手臂伸出縮回動(dòng)作提供動(dòng)能；接近開關(guān)用于檢測(cè)手臂左右擺動(dòng)的限位；緩沖閥用于減少手臂左右擺動(dòng)的沖擊力；支架用于固定整個(gè)機(jī)械手臂。

2.3 光電傳感器選型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇SICK 公司研發(fā)的WL12L-2B530S02 小型光電傳感器。該傳感器以鏡反射式原理為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，檢測(cè)感應(yīng)距離為0～5 m，供電電壓為10～30 VDC，能滿足本系統(tǒng)檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品卸載定位和包裝進(jìn)度的需求。具體的工作原理為：在落料機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品定點(diǎn)卸載位置處安裝A 光電傳感器，用于檢測(cè)機(jī)械手是否將抓取的農(nóng)產(chǎn)品準(zhǔn)確卸載至安裝位置，若農(nóng)產(chǎn)品已完成準(zhǔn)確卸載，PLC 控制存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手開始對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行包裝。一旦農(nóng)產(chǎn)品完成包裝，其垂直高度會(huì)上升5 cm，并被B 光電傳感器檢測(cè)到，存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手會(huì)在程序控制下將包裝完成的農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)至存儲(chǔ)區(qū)。本系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

2.4 氣動(dòng)控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)機(jī)械手執(zhí)行抓取、搬運(yùn)、卸載、移位、包裝等動(dòng)作均由氣動(dòng)模塊提供動(dòng)能。氣動(dòng)模塊包含電磁開關(guān)、氣動(dòng)管、消聲器、氣泵、電磁閥組、電磁閥驅(qū)動(dòng)線圈等零部件。以抓取農(nóng)產(chǎn)品動(dòng)作為例闡述設(shè)計(jì)原理：PLC 向機(jī)械手抓取電磁閥驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)送高電平指令- 驅(qū)動(dòng)抓取電磁閥導(dǎo)通- 氣泵中的壓縮空氣通過氣動(dòng)管驅(qū)動(dòng)手爪執(zhí)行抓取動(dòng)作- 抓取電磁開關(guān)導(dǎo)通，提示手爪成功抓取農(nóng)產(chǎn)品。反之，如果手爪需要執(zhí)行卸載農(nóng)產(chǎn)品動(dòng)作，則PLC 應(yīng)首先向機(jī)械手抓取電磁閥驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)送低電平指令，之后才能驅(qū)動(dòng)手爪卸載電磁閥驅(qū)動(dòng)線圈導(dǎo)通。氣動(dòng)控制模塊的工作示意圖如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 梯形圖程序編譯思路

本系統(tǒng)采用梯形圖編譯程序，使用STEP7 軟件編寫、調(diào)試和下載程序模塊。根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，將梯形圖程序編譯思路總結(jié)為：①系統(tǒng)啟動(dòng)并進(jìn)行自檢，若沒有問題開始正常執(zhí)行程序，若出現(xiàn)問題則報(bào)警斷電；②正常執(zhí)行程序的流程為：?jiǎn)?dòng)移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手抓取農(nóng)產(chǎn)品- 移動(dòng)至落料機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)上限位- 機(jī)械手臂下降并卸載農(nóng)產(chǎn)品至定位點(diǎn)- 光電傳感器A 檢測(cè)到農(nóng)產(chǎn)品- 存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手啟動(dòng)并執(zhí)行包裝農(nóng)產(chǎn)品動(dòng)作- 光電傳感器B 檢測(cè)到包裝完成的農(nóng)產(chǎn)品- 存儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)械手執(zhí)行搬運(yùn)操作，將包裝好的農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)至存儲(chǔ)區(qū)；③設(shè)置報(bào)警中斷程序，當(dāng)出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品掉落、積壓、系統(tǒng)空轉(zhuǎn)或過載運(yùn)行等狀況時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警中斷程序。

3.2 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用昆侖通泰觸摸屏和MCGS 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控模塊，主要用于對(duì)機(jī)械手搬運(yùn)加工農(nóng)產(chǎn)品的過程進(jìn)行觸摸控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體設(shè)計(jì)中需要用到的控件包括：機(jī)械手臂、指示燈、按鈕等，其中指示燈可顯示機(jī)械手抓取、搬運(yùn)、加工農(nóng)產(chǎn)品的工作過程，按鈕可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止觸摸控制。當(dāng)操作人員按下啟動(dòng)按鈕后，組態(tài)中的機(jī)械手會(huì)執(zhí)行農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)加工動(dòng)作，并呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫，指示燈也可實(shí)時(shí)顯示出機(jī)械手的動(dòng)作狀態(tài)。本系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控界面如圖5 所示。

4 結(jié)語

農(nóng)產(chǎn)品搬運(yùn)加工生產(chǎn)是機(jī)械制造及自動(dòng)化領(lǐng)域熱門的研究方向之一，本文基于PLC 和機(jī)械手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能夠較好地解決農(nóng)產(chǎn)品自動(dòng)化搬運(yùn)加工的技術(shù)問題，體現(xiàn)出一定的先進(jìn)性，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性和移植性都很強(qiáng)，在未來的生產(chǎn)加工中有望展現(xiàn)出一定的推廣價(jià)值。