實驗教學(xué)用氣動機(jī)械臂PLC控制設(shè)計

段曉飛

摘 要：設(shè)計了一種基于PLC控制的實驗教學(xué)型氣動機(jī)械臂，能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和搬運功能。敘述了實驗教學(xué)用氣動機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)，給出了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計和氣動驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計?？刂瞥绦虿捎谩盎麨榱悖e零為整”的模塊化設(shè)計思路，程序運行效率高，可讀性好。該機(jī)械臂性能穩(wěn)定，成本較低，能夠滿足實驗教學(xué)與科技創(chuàng)新設(shè)計需要。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；PLC控制；氣動系統(tǒng)

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16723198（2014）02016502

0 引言

可編程控制器相關(guān)課程中有一個主要的教學(xué)實驗就是基于PLC控制的機(jī)械臂，該設(shè)計對可編程控制器的原理及其控制應(yīng)用的理解具有重要的意義。通常會在教學(xué)實驗、課程設(shè)計和科技創(chuàng)新中使用機(jī)械臂實驗設(shè)備。該設(shè)計是為了滿足實驗教學(xué)以及科學(xué)創(chuàng)新。機(jī)械臂選用FX2N-48MR/MT系列PLC控制器，用氣壓驅(qū)動，能很好地滿足教學(xué)實驗、課程設(shè)計和科技創(chuàng)新設(shè)計的需要。

1 工作規(guī)則及控制要求

1.1 工作規(guī)則

機(jī)械臂的初始位置停在原點，按下復(fù)位鈕，機(jī)械臂在原點復(fù)位；按啟動鈕，機(jī)械臂手臂伸出（水平）→手臂下降（豎直）→夾緊手抓→手臂上升（豎直）→手臂收回（水平）→水平擺動90°手臂伸出→手臂下降（豎直）→放松手抓→夾緊手抓→旋轉(zhuǎn)手腕270°→放松手抓→反轉(zhuǎn)手腕270°→手抓夾緊→手腕旋轉(zhuǎn)270°→放松手抓缸→手臂上升（豎直）一手臂收回（水平）一擺動270°手臂回原點。經(jīng)上面一系列流程，機(jī)械臂可完成的動作如圖1中所示的位置1下方夾住瓶蓋，然后再將瓶蓋放下擰緊。通過改變程序設(shè)計也可以將該機(jī)械臂設(shè)計成通用機(jī)械臂，即在位置1夾住物品，然后在位置2將物品放下的動作。

圖1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖1.2 控制要求

該設(shè)計的控制要求：

（1）手動方式：就是通過按鈕對機(jī)械臂每個動作單獨控制.例如，按下“下降”鈕，機(jī)械臂下降，按下“上升”鈕，機(jī)械臂上升。手動操作可使機(jī)械臂歸于原點位置，同時便于機(jī)械臂的調(diào)整和維修；

（2）步進(jìn)方式：按照完整的工作步驟從開始每按一下啟動鈕完成一步動作，然后停止直到再按一次啟動鈕，會自動執(zhí)行下一個動作；

（3）單循環(huán)工作方式：按下啟動鈕機(jī)械臂從原點開始自動完成一個周期的工序動作后返回原點停止；

（4）連續(xù)工作方式：按下啟動鈕，機(jī)械臂從原點按工序自動連續(xù)循環(huán)工作，按下停止鈕機(jī)械臂停止復(fù)位。如果選擇“單周期”工作方式，機(jī)械臂會在完成一個周期的工作后返回原點自動停機(jī)。

2 機(jī)械臂和氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)械臂的總體設(shè)計

本設(shè)計將機(jī)械臂設(shè)計成直角坐標(biāo)式，氣缸是主要執(zhí)行裝置，F(xiàn)X2N-48MR/MT系列PLC為電氣控制。設(shè)計將機(jī)械臂總體安裝在一個可移動臺架上，將機(jī)械裝置與電氣控制系統(tǒng)分離設(shè)計。為便于學(xué)生實習(xí)，臺架上有氣動電磁閥組、機(jī)械裝置、開關(guān)按鈕、電氣接頭。支架下放置電源、繼電器、PLC、空氣壓縮機(jī)等。為方便學(xué)生電氣接線，用電氣接頭把PLC的輸入輸出端子接到支架臺面上，在臺面上學(xué)生即可完成機(jī)械臂的接線和拆卸等動作。機(jī)械臂的機(jī)械裝置如圖1所示。

本設(shè)計的機(jī)械臂可以完成5個基本動作，實現(xiàn)五自由度控制，即左右、上下、夾緊、擺動、旋轉(zhuǎn)。每個氣缸都配有傳感器為方便檢測氣缸的位置。

本設(shè)計主要用于教學(xué)實驗，所以氣缸均選用輕型系列工作壓力設(shè)計在0.7—1MPa之間。其中，手指缸選V型手指缸MHZ2—100配1個磁性開關(guān)，完成夾緊動作。機(jī)械臂的手腕選用旋轉(zhuǎn)缸CDRB1B W20配2個磁性開關(guān)，完成旋轉(zhuǎn)扭緊動作，一般擰緊一個瓶蓋需要旋540°才能完全擰緊，但是通常旋轉(zhuǎn)缸只能旋轉(zhuǎn)270°，所以只能旋轉(zhuǎn)一次松開后再旋轉(zhuǎn)一次，其中需要夾緊兩次完成瓶蓋的擰緊。我們選用CDJ2KB16—45A型號的垂直缸，并在氣缸兩端配2個磁性開關(guān)用于檢測氣缸的位置。選用CXSM15—100型號的水平缸，其兩端配2個磁性開關(guān)。選CDRB1B W30—1805的旋轉(zhuǎn)缸為擺動缸，將擺動角度設(shè)置為90°，手臂的擺動（以上選用氣缸的最大使用壓力均不超過1.0MPa）。焊接一個L型角鋼在立柱上，角鋼兩邊分別安裝有光電接近開關(guān)，分別在2個光電開關(guān)的旁邊設(shè)置一個擋位緩沖裝置（內(nèi)裝有彈簧）為防止擺動缸直接碰到光電開關(guān)（選用LE4-K型光電開關(guān)）。

立柱的結(jié)構(gòu)為將旋轉(zhuǎn)氣缸用螺栓固定在一個倒U型的方鋼里，并用螺栓連接將其與底座連接。底座采用鋁合金材料做成T型，用螺栓固定到臺面。

2.2 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

據(jù)分析，本設(shè)計共有5個氣缸和配有5個電磁換向閥的氣壓驅(qū)動系統(tǒng)如圖2所示。其中電磁換向閥控制氣缸的運動方向；單向節(jié)流閥控制氣缸運動速度；壓縮空氣由氣動二聯(lián)件向各氣缸集中供應(yīng)。

圖2 氣壓驅(qū)動回路圖使用帶中位的三位五通雙向電磁閥可使水平缸擺動、手抓旋轉(zhuǎn)停在任一位置。垂直缸靠彈簧復(fù)位本設(shè)計采用二位三通單向電磁閥，如果要垂直缸下降則給電磁閥通電，如果將電磁閥斷電，在彈簧的作用下垂直缸復(fù)位。用二位五通雙向電磁閥來控制水平缸和手抓缸的動作。手抓缸不設(shè)計節(jié)流閥，因為不需要調(diào)節(jié)速度，只有開合動作。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC的選擇

由氣壓驅(qū)動回路圖2所示，本設(shè)計有7個磁性開關(guān)和2個光電開關(guān)安裝在5個氣缸上，用于檢測氣缸位置，氣壓機(jī)械臂的工作方式由有啟動、停止、單循環(huán)/聯(lián)動、手動/自動、復(fù)位、急停、上電等7個按鈕的操作面板控制，其中單循環(huán)/聯(lián)動和手動/自動為組合旋鈕，PLC輸入點共計16個，例如磁性開關(guān)、光電開關(guān)和按鈕等均為開關(guān)量輸入點。PLC輸出點為13個，其中開始、復(fù)位、停止、上電按鈕的指示燈4個，氣缸電磁換向閥的電信號9個。本設(shè)計選用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27個輸入點和17個輸出點，均大于設(shè)計要求的輸入輸出點數(shù)量，能夠滿足控制要求。

3.2 控制程序設(shè)計

本設(shè)計的機(jī)械臂設(shè)有手動、自動、單循環(huán)、聯(lián)動、復(fù)位等工作模式。手動方式可用于機(jī)械臂維修調(diào)整使用，當(dāng)設(shè)置為手動或單循環(huán)工作模式時只循環(huán)一個完整的工序便自動停下；當(dāng)設(shè)置為自動方式時，這是氣動機(jī)械臂正常的工作方式，把組合旋鈕轉(zhuǎn)到自動或聯(lián)動時執(zhí)行自動循環(huán)一直重復(fù)運動，直到按停止按鈕才能停下。復(fù)位操作可使機(jī)械臂從任一位置返回原點。

本設(shè)計PLC程序設(shè)計采用順序步進(jìn)指令控制機(jī)械臂的動作步驟，流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖在設(shè)計PLC控制程序中，將復(fù)位控制設(shè)置在初始步前，只有當(dāng)擺動缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松開4個步驟同時完成時叫復(fù)位。當(dāng)擺動缸回轉(zhuǎn)90°以后，如果是自動/聯(lián)動工作狀態(tài)，水平缸自動伸出，這個時候是不需要按啟動鈕；如果是在手動/單循環(huán)工作狀態(tài)時，在機(jī)械臂完成一個完整的工作過程后程序回到初始步，必須再一次按啟動鈕才能繼續(xù)開始新的一個工作過程。

PLC控制程序在設(shè)計時，需注意手抓合攏后在被抓物品被放下前要始終保持是夾緊狀態(tài)；在步進(jìn)指令狀態(tài)下工作時每執(zhí)行一步都需要執(zhí)行一次手抓夾緊的動作，或者在SET置位指令工作狀態(tài)下使手抓夾緊，在使用RST復(fù)位指令時使手抓松開?？筛鶕?jù)被操作對象的具體特征和具體要求來改變程序來調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。

4 結(jié)束語

經(jīng)對機(jī)械臂的安裝和調(diào)試，本設(shè)計的機(jī)械臂能夠按照設(shè)計要求的完成動作和達(dá)到控制要求，總體有以下幾個特點：

4.1 具有可靠的控制性

在PLC的控制下運行穩(wěn)定可靠，能很好地滿足教學(xué)實驗需要。

4.2 具有簡便的操作性

便于學(xué)生在臺面上安裝和調(diào)試，我們將氣動、電氣接線部分設(shè)置在臺面上，線路、傳感器和氣缸均可拆下。

4.3 面板具有清晰易控性

操作面板清晰易控，指示一目了然，按鈕操作方便順手。

4.4 具有便捷的調(diào)試性

為能實現(xiàn)程序在線調(diào)試，在臺面上設(shè)置PC與PLC連接。

本研究基于PLC控制的機(jī)械臂能夠滿足實驗教學(xué)、調(diào)試方便和模擬工業(yè)現(xiàn)場等需求。

參考文獻(xiàn)

[1]楊后川，張學(xué)民，陳勇.SIMATIC S7-200 可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]趙燕，周新建.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：中國林業(yè)出版社，北京大學(xué)出版社，2006.

[3]趙美寧，王佳.自動供料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2007，（9）.

[4]楊后川，高昆，陳勇.某型飛機(jī)起落架收放作動筒液壓測試系統(tǒng)PLC控制設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，（2）.

[5]李湘?zhèn)?基于PLC控制的教學(xué)型五自由度氣動機(jī)械手設(shè)計[J].液壓與氣動，2008，（2）：4951.

[6]姜佩東.液壓與氣動技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.