基于PLC與組態(tài)軟件控制的教學(xué)型氣動(dòng)機(jī)械手研制

付洪保

（唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北 唐山 063000）

0 引言

氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、污染小、成本低、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、控制簡(jiǎn)便、傳動(dòng)快速以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子制造、包裝印刷、食品加工等領(lǐng)域。它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)工件以完成在不同環(huán)境中的工作［1］?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）作為一種工業(yè)環(huán)境下的計(jì)算機(jī)控制裝置，具有極高的可靠性及應(yīng)用便利性，得到了迅速普及和高速發(fā)展，日益成為機(jī)電控制及過(guò)程控制的關(guān)鍵部件。目前國(guó)內(nèi)高校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)及儀器、機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)液壓與氣壓傳動(dòng)、可編程控制器、傳感器數(shù)據(jù)處理等課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法滿(mǎn)足培養(yǎng)機(jī)電一體化綜合知識(shí)運(yùn)用能力的教學(xué)要求，迫切需要體現(xiàn)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)先進(jìn)的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為此，本文以一種通用的平面關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)械手為原型，應(yīng)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械、電氣和氣動(dòng)元件，設(shè)計(jì)了一種基于三菱PLC控制的四自由度教學(xué)型氣動(dòng)機(jī)械手，并采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制，能夠抓取平面內(nèi)工件并旋轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)裝置能為以上課程的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)服務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電一體化知識(shí)綜合運(yùn)用能力。

1 總體設(shè)計(jì)

機(jī)械手由擺動(dòng)氣缸、雙聯(lián)氣缸、標(biāo)準(zhǔn)氣缸和手爪組成，如圖1所示。具有4個(gè)自由度。工作時(shí)，擺動(dòng)氣缸旋轉(zhuǎn)至立柱左側(cè)至限位位置，雙聯(lián)氣缸水平伸出，標(biāo)準(zhǔn)氣缸垂直下降，末端手爪抓取工件。擺動(dòng)氣缸左右極限位置由接近開(kāi)關(guān)控制，其他氣缸由磁性開(kāi)關(guān)控制其運(yùn)動(dòng)位置。機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程由PLC進(jìn)行控制，上位機(jī)組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。由于系統(tǒng)采用氣壓傳動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮系統(tǒng)調(diào)壓、出口節(jié)流、順序動(dòng)作以及安全等問(wèn)題，要求手臂不會(huì)因自重而下滑，手爪抓緊可靠。

圖2 氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

按照機(jī)械手4個(gè)自由度結(jié)構(gòu)，氣缸選擇如下：（1）擺動(dòng)氣缸：SMC，型號(hào)CRB1BW30-180S，缸徑10 mm，擺動(dòng)角度180°。（2）雙聯(lián)氣缸：SMC，型號(hào)CXSM15-100，缸徑15 mm，帶磁性開(kāi)關(guān)。（3）標(biāo)準(zhǔn)氣缸：SMC，型號(hào) CDJ2KB16-60-B，缸徑10 mm，行程15 mm，帶磁性開(kāi)關(guān)。（4）末端手爪：SMC，型號(hào) M HZ2-10D，手指數(shù)2，缸徑10 mm。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作要求以及氣動(dòng)系統(tǒng)原理，其電氣執(zhí)行元件（氣動(dòng)電磁閥）選用直流24 V的型式，安全可靠，并設(shè)置了狀態(tài)顯示燈。（1）機(jī)械手動(dòng)作順序如下：系統(tǒng)上電，復(fù)位燈閃，按復(fù)位按鈕，復(fù)位等滅，開(kāi)始燈閃，按開(kāi)始按鈕，開(kāi)始燈滅，擺動(dòng)氣缸至左位（初始位置），雙聯(lián)氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪松開(kāi)，夾緊工位1工件，氣缸4上升，雙聯(lián)氣缸2收縮，擺動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)至右位，雙聯(lián)氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪放松，放置工件至工位2。擺動(dòng)氣缸回左位。1個(gè)工作行程結(jié)束，工件自工位1轉(zhuǎn)移至工位2。（2）PLC選擇：采用三菱FX2N-48MR型PLC，輸入點(diǎn)數(shù)24，輸出點(diǎn)數(shù)24。外圍設(shè)備方面采用上位工控機(jī)編程，RS-485通信方式，外部輸入設(shè)備有接近開(kāi)關(guān)、按鈕和電磁閥等，外部輸出設(shè)備有繼電器、指示燈等。圖3為機(jī)械手輸入地址分配。

圖3 機(jī)械手輸入地址分配

4 組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

組態(tài)的概念最早來(lái)自英文configuration，含義是使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置、自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)、滿(mǎn)足使用者要求的目的。組態(tài)王軟件是用于在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的一種智能化軟件，操作簡(jiǎn)便直觀。它使采用PC機(jī)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)比以往使用專(zhuān)用機(jī)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開(kāi)發(fā)者的重復(fù)性工作，并可運(yùn)用PC機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。組態(tài)王軟件包由工程管理器（組態(tài)王）、工程瀏覽器、畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)、信息窗口等4部分組成。其中，工程管理器用于新建工程和對(duì)工程進(jìn)行管理。工程瀏覽器用于將畫(huà)面制作系統(tǒng)中已設(shè)計(jì)的圖形畫(huà)面、命令語(yǔ)言、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、各種報(bào)表等工程資源進(jìn)行集中管理。畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)是組態(tài)王軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。信息窗口是一個(gè)獨(dú)立的Windows應(yīng)用程序，用來(lái)記錄、顯示組態(tài)王開(kāi)發(fā)和運(yùn)行系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息［2］。

組態(tài)王變量的基本類(lèi)型共有2類(lèi)：內(nèi)存變量、I／O變量。搬運(yùn)機(jī)械手單元共定義了1個(gè)內(nèi)存離散變量和17個(gè)內(nèi)存整型變量。I／O變量是指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量，搬運(yùn)機(jī)械手單元上位機(jī)與PLC進(jìn)行通信定義了13個(gè)變量，表1列舉了部分基本變量。

表1 搬運(yùn)機(jī)械手單元部分變量

這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的，就是說(shuō)：在組態(tài)王系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，每當(dāng)I／O變量的值改變時(shí)，該值就會(huì)自動(dòng)寫(xiě)入PLC或應(yīng)用程序；每當(dāng)PLC或應(yīng)用程序中的值改變時(shí)，組態(tài)王系統(tǒng)中的變量值也會(huì)自動(dòng)更新。所以，這些從PLC采集來(lái)的數(shù)據(jù)、發(fā)送給下位機(jī)的指令，例如“ST2輸出禁止”“ST2復(fù)位中”等變量，都需要設(shè)置成I／O變量。

5 結(jié)語(yǔ)

搬運(yùn)機(jī)械手單元機(jī)械結(jié)構(gòu)部分大多采用標(biāo)準(zhǔn)件，電氣控制系統(tǒng)元件少，控制柜和機(jī)械部分做成一體。由于采用組態(tài)軟件和PLC編程，其動(dòng)作行程可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。該氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)安裝、調(diào)試，能夠在模擬生產(chǎn)線上良好運(yùn)行。此系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，安全性高，可重復(fù)性好，模塊化，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足機(jī)電一體化教學(xué)任務(wù)的要求。

［1］王月芹.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).液壓與氣動(dòng)，2011（9）

［2］北京亞控科技發(fā)展有限公司.組態(tài)王中文手冊(cè)，2001