實(shí)驗(yàn)教學(xué)用氣動(dòng)機(jī)械臂PLC控制設(shè)計(jì)

段曉飛

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)型氣動(dòng)機(jī)械臂，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和搬運(yùn)功能。敘述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)用氣動(dòng)機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)，給出了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂瞥绦虿捎谩盎麨榱?，積零為整”的模塊化設(shè)計(jì)思路，程序運(yùn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)與科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；PLC控制；氣動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16723198（2014）02016502

0 引言

可編程控制器相關(guān)課程中有一個(gè)主要的教學(xué)實(shí)驗(yàn)就是基于PLC控制的機(jī)械臂，該設(shè)計(jì)對(duì)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(huì)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新中使用機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)計(jì)是為了滿足實(shí)驗(yàn)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(dòng)，能很好地滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(diǎn)，按下復(fù)位鈕，機(jī)械臂在原點(diǎn)復(fù)位；按啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)270°手臂回原點(diǎn)。經(jīng)上面一系列流程，機(jī)械臂可完成的動(dòng)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(guò)改變程序設(shè)計(jì)也可以將該機(jī)械臂設(shè)計(jì)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(dòng)作。

圖1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖1.2 控制要求

該設(shè)計(jì)的控制要求：

（1）手動(dòng)方式：就是通過(guò)按鈕對(duì)機(jī)械臂每個(gè)動(dòng)作單獨(dú)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(dòng)操作可使機(jī)械臂歸于原點(diǎn)位置，同時(shí)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(dòng)鈕完成一步動(dòng)作，然后停止直到再按一次啟動(dòng)鈕，會(huì)自動(dòng)執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作；

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

（4）連續(xù)工作方式：按下啟動(dòng)鈕，機(jī)械臂從原點(diǎn)按工序自動(dòng)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(huì)在完成一個(gè)周期的工作后返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。

2 機(jī)械臂和氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臂的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將機(jī)械臂設(shè)計(jì)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(jì)將機(jī)械臂總體安裝在一個(gè)可移動(dòng)臺(tái)架上，將機(jī)械裝置與電氣控制系統(tǒng)分離設(shè)計(jì)。為便于學(xué)生實(shí)習(xí)，臺(tái)架上有氣動(dòng)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(tái)面上，在臺(tái)面上學(xué)生即可完成機(jī)械臂的接線和拆卸等動(dòng)作。機(jī)械臂的機(jī)械裝置如圖1所示。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂可以完成5個(gè)基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)五自由度控制，即左右、上下、夾緊、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。每個(gè)氣缸都配有傳感器為方便檢測(cè)氣缸的位置。

本設(shè)計(jì)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，所以氣缸均選用輕型系列工作壓力設(shè)計(jì)在0.7—1MPa之間。其中，手指缸選V型手指缸MHZ2—100配1個(gè)磁性開關(guān)，完成夾緊動(dòng)作。機(jī)械臂的手腕選用旋轉(zhuǎn)缸CDRB1B W20配2個(gè)磁性開關(guān)，完成旋轉(zhuǎn)扭緊動(dòng)作，一般擰緊一個(gè)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(hào)的垂直缸，并在氣缸兩端配2個(gè)磁性開關(guān)用于檢測(cè)氣缸的位置。選用CXSM15—100型號(hào)的水平缸，其兩端配2個(gè)磁性開關(guān)。選CDRB1B W30—1805的旋轉(zhuǎn)缸為擺動(dòng)缸，將擺動(dòng)角度設(shè)置為90°，手臂的擺動(dòng)（以上選用氣缸的最大使用壓力均不超過(guò)1.0MPa）。焊接一個(gè)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(gè)光電開關(guān)的旁邊設(shè)置一個(gè)擋位緩沖裝置（內(nèi)裝有彈簧）為防止擺動(dòng)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(gè)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(tái)面。

2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖2 氣壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)、手抓旋轉(zhuǎn)停在任一位置。垂直缸靠彈簧復(fù)位本設(shè)計(jì)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(lái)控制水平缸和手抓缸的動(dòng)作。手抓缸不設(shè)計(jì)節(jié)流閥，因?yàn)椴恍枰{(diào)節(jié)速度，只有開合動(dòng)作。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC的選擇

由氣壓驅(qū)動(dòng)回路圖2所示，本設(shè)計(jì)有7個(gè)磁性開關(guān)和2個(gè)光電開關(guān)安裝在5個(gè)氣缸上，用于檢測(cè)氣缸位置，氣壓機(jī)械臂的工作方式由有啟動(dòng)、停止、單循環(huán)/聯(lián)動(dòng)、手動(dòng)/自動(dòng)、復(fù)位、急停、上電等7個(gè)按鈕的操作面板控制，其中單循環(huán)/聯(lián)動(dòng)和手動(dòng)/自動(dòng)為組合旋鈕，PLC輸入點(diǎn)共計(jì)16個(gè)，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(diǎn)。PLC輸出點(diǎn)為13個(gè)，其中開始、復(fù)位、停止、上電按鈕的指示燈4個(gè)，氣缸電磁換向閥的電信號(hào)9個(gè)。本設(shè)計(jì)選用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27個(gè)輸入點(diǎn)和17個(gè)輸出點(diǎn)，均大于設(shè)計(jì)要求的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量，能夠滿足控制要求。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)、單循環(huán)、聯(lián)動(dòng)、復(fù)位等工作模式。手動(dòng)方式可用于機(jī)械臂維修調(diào)整使用，當(dāng)設(shè)置為手動(dòng)或單循環(huán)工作模式時(shí)只循環(huán)一個(gè)完整的工序便自動(dòng)停下；當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)方式時(shí)，這是氣動(dòng)機(jī)械臂正常的工作方式，把組合旋鈕轉(zhuǎn)到自動(dòng)或聯(lián)動(dòng)時(shí)執(zhí)行自動(dòng)循環(huán)一直重復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)。

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

圖3 程序流程圖在設(shè)計(jì)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(dòng)缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松開4個(gè)步驟同時(shí)完成時(shí)叫復(fù)位。當(dāng)擺動(dòng)缸回轉(zhuǎn)90°以后，如果是自動(dòng)/聯(lián)動(dòng)工作狀態(tài)，水平缸自動(dòng)伸出，這個(gè)時(shí)候是不需要按啟動(dòng)鈕；如果是在手動(dòng)/單循環(huán)工作狀態(tài)時(shí)，在機(jī)械臂完成一個(gè)完整的工作過(guò)程后程序回到初始步，必須再一次按啟動(dòng)鈕才能繼續(xù)開始新的一個(gè)工作過(guò)程。

PLC控制程序在設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)每執(zhí)行一步都需要執(zhí)行一次手抓夾緊的動(dòng)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(shí)使手抓松開?？筛鶕?jù)被操作對(duì)象的具體特征和具體要求來(lái)改變程序來(lái)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)對(duì)機(jī)械臂的安裝和調(diào)試，本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂能夠按照設(shè)計(jì)要求的完成動(dòng)作和達(dá)到控制要求，總體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

4.1 具有可靠的控制性

在PLC的控制下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能很好地滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要。

4.2 具有簡(jiǎn)便的操作性

便于學(xué)生在臺(tái)面上安裝和調(diào)試，我們將氣動(dòng)、電氣接線部分設(shè)置在臺(tái)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(shí)現(xiàn)程序在線調(diào)試，在臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)、調(diào)試方便和模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等需求。

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