基于PLC和觸摸屏控制的教學用氣動機械手研制

金興偉，王 典

(湖北工業(yè)職業(yè)技術學院 機電工程學院，湖北 十堰 442000)

機械手是能模仿人手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動化裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、食品加工等行業(yè)。氣動機械手以壓縮空氣為媒介，是集機械結構、氣動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)于一體的典型的機電一體化產品，它具有結構簡單、拆裝方便、易于控制與操作、價格低等特點，非常適合用于教學。因此，設計制作該氣動機械手可作為液壓與氣動、PLC編程控制與調試等課程實習實訓教學設備，用以更好地培養(yǎng)學生專業(yè)綜合應用能力和創(chuàng)新能力[1-3]。

1 機械手結構設計

氣動機械手的結構如圖1所示，具有豎直方向移動、水平方向移動和轉動3個自由度以及1個手指運動，主要由4個部件組成：旋轉氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸和氣動手指。氣動手指夾緊、松開可實現(xiàn)工件的抓取和放置。氣動手指通過連接塊與豎直方向的升降氣缸連接，升降氣缸實現(xiàn)豎直方向的上升和下降運動，該氣缸在豎直方向的行程可通過其頂部的調節(jié)螺母進行調節(jié)改變。升降氣缸通過連接塊與伸縮氣缸(也稱懸臂缸)連接，伸縮氣缸可實現(xiàn)水平方向的伸縮運動。為了能承受較大載荷和力矩，提高導向精度，該伸縮氣缸采用雙軸氣缸。伸縮氣缸安裝在旋轉氣缸的轉臺上，旋轉氣缸可帶動整個機械手實現(xiàn)0°～190°范圍的回轉，回轉角度可通過調節(jié)螺母進行調節(jié)。整個機械手可根據(jù)需要安裝在相應的工作臺上。

1-氣動手指 2-升降氣缸 3-連接塊 4-伸縮氣缸 5-旋轉氣缸 6-調節(jié)螺母

圖1 氣動機械手結構圖

2 機械手氣動系統(tǒng)設計

氣動機械手的氣動回路圖如圖2所示。

圖2 氣動系統(tǒng)原理圖

該氣動系統(tǒng)結構簡單，便于學生實驗時組裝與拆卸。換向閥均采用24V直流電磁換向閥，避免強電，保證學生在實驗過程中的安全。所有氣缸元件的活塞上都應該帶有磁環(huán)，以便氣缸外的磁性開關檢測活塞是否運動到位，判斷機械手運行狀態(tài)，為后續(xù)動作提供執(zhí)行條件。各氣路中均配置了節(jié)流閥，可以根據(jù)實際需要調節(jié)各氣缸的運行速度。

3 氣動機械手控制系統(tǒng)

該氣動機械手設計的初衷是為教學服務，應用于課程，貼近于實際，因此，控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，配合當前工廠實際應用廣泛的觸摸屏作為上位機，與PLC通訊并對其控制和狀態(tài)監(jiān)測。學生可以通過該設備學習PLC編程控制與調試以及觸摸屏組態(tài)。

3.1 PLC控制系統(tǒng)設計

3.1.1 控制要求

(1)能通過轉換開關對機械手進行手動和自動運行切換；

(2)手動運行時，可根據(jù)需要控制機械手任意氣缸動作，也可手動復位機械手；

(3)自動運行時，按下啟動按鈕，機械手按如下流程自動運行：原位(手指松開、懸臂縮回、手臂上升)→懸臂伸出→手臂下降→手指夾緊(抓取工件)→手臂上升→懸臂縮回→左轉→懸臂伸出→手臂下降→手指松開(放下工件)→手臂上升→懸臂縮回→右轉，完成一個周期動作。之后進行下一工件的搬運，依次循環(huán)。按下停止按鈕，機械手完成當前工序后才停止。

(4)按下急停按鈕，機械手立即停止運行。

3.1.2 PLC I/O地址分配及硬件接線

根據(jù)系統(tǒng)控制要求分析，所需的輸入/輸出(I/O)信號如表1所示。

表1 氣動機械手控制系統(tǒng)I/O分配表

根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出特性及負載情況，PLC選用三菱FX-1N24MR，硬件接線圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)PLC硬件接線圖

3.1.3 程序設計

根據(jù)控制要求分析可知，機械手按一定動作順序執(zhí)行，程序采用SFC順序功能圖[4-5]編寫，應用選擇性分支能方便實現(xiàn)手動運行和自動運行切換。轉換開關SA使X12=1時為手動運行，自動程序分支不會執(zhí)行；當X11=1時為自動運行，相應的手動程序分支不會執(zhí)行。具體控制程序順序功能如圖4所示。

圖4 控制程序順序功能圖

3.2 觸摸屏組態(tài)設計[6]

系統(tǒng)選用MCGS的TPC7062TX觸摸屏作為組態(tài)監(jiān)控設備，MCGS與PLC之間變量連接如表2所示，控制界面如圖5所示?？刂平缑嬗晒ぷ鳡顟B(tài)、自動控制、手動控制三部分組成。工作狀態(tài)可以顯示機械手當前運行模式；自動控制只需要啟動、停止；手動控制可以對任意氣缸進行控制，同時還可以進行機械手復位操作。

表2 MCGS與PLC變量連接表

圖5 觸摸屏控制界面

3.3 氣動機械手制作與調試

根據(jù)設計的機械結構、氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，進行元件采購和制作，組裝調試后的氣動機械手如圖6所示。

圖6 組裝調試完成的氣動機械手實物圖

4 結語

該氣動機械手將機械、氣壓傳動、PLC控制技術、傳感器檢測技術、觸摸屏技術有機整合在一起，可以很好地滿足各項單類技能和綜合技能的訓練要求，適合進行實習實訓教學和鍛煉學生的動手能力、創(chuàng)新能力。學生可以利用該設備從機械組裝、氣控回路設計與組裝、電氣設計與安裝、觸摸屏設計、PLC 編程與調試等方面進行工程訓練。經實際教學應用證明，該氣動機械手實用性強，能有效提高學生學習興趣，對實習實訓教學起到了重要的促進作用。