PLC和觸摸屏在多自由度氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)中的應(yīng)用*

王小娟，胡　兵

(新疆工程學(xué)院a.基礎(chǔ)部；b.電氣與信息工程系，烏魯木齊　830011)

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PLC和觸摸屏在多自由度氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)中的應(yīng)用*

王小娟a，胡兵b

(新疆工程學(xué)院a.基礎(chǔ)部；b.電氣與信息工程系，烏魯木齊830011)

摘要：針對(duì)生產(chǎn)線中搬運(yùn)站對(duì)搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手的要求，提出觸摸屏作為上位機(jī)，PLC作為控制器，電磁閥、氣缸作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的氣動(dòng)機(jī)械手控制方法。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)氣動(dòng)原理、硬件構(gòu)成、軟件編程和觸摸屏的設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)滿足控制要求，具有安全性高、可靠性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：：PLC；機(jī)械手；觸摸屏；多自由度

0引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求越來越高，尤其在易燃、易爆、高溫、高壓、高強(qiáng)度等人不能接受的特殊場(chǎng)合，迫切需要生產(chǎn)自動(dòng)化，機(jī)械手具有靈活的運(yùn)動(dòng)性，運(yùn)行的平穩(wěn)性和操作簡(jiǎn)單性，能夠適應(yīng)特殊場(chǎng)合的生產(chǎn)自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品加工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。氣動(dòng)設(shè)備采用潔凈空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)，具有安全性好，成本低的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制靈活、定位精確、運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)的功能[3]。觸摸屏具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、靈活修改參數(shù)及報(bào)警顯示等等特點(diǎn)，與PLC結(jié)合控制機(jī)械手，能夠使機(jī)械手操作方便，運(yùn)行可視化。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中氣動(dòng)機(jī)械手主要由PLC控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化效果欠缺，為此，本文綜合氣動(dòng)機(jī)械手、PLC技術(shù)和觸摸屏技術(shù)的特點(diǎn)，以生產(chǎn)線搬運(yùn)站為載體，提出PLC和觸摸屏控制多自由度機(jī)械手的方法，期望做到安全可靠，減小勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率，為實(shí)際生產(chǎn)和教育教學(xué)提供參考。

1系統(tǒng)控制要求

生產(chǎn)線由加工站、搬運(yùn)站和裝配站組成，加工站完成對(duì)工件的加工后，發(fā)出完成信號(hào)，由搬運(yùn)站氣動(dòng)機(jī)械手將工件從加工站搬運(yùn)到裝配站，由搬運(yùn)站完成對(duì)工件的裝配，并且由觸摸屏監(jiān)控程序運(yùn)行狀況，其中搬運(yùn)機(jī)械手有左偏轉(zhuǎn)、右偏轉(zhuǎn)、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個(gè)自由度[4]，分別由相應(yīng)的氣缸、電磁換向閥、磁性開關(guān)結(jié)合PLC完成控制任務(wù)，具體控制要求為：

(1)為了便于調(diào)試和檢修，要求系統(tǒng)能夠就地手動(dòng)控制。

(2)觸摸屏切換到主控畫面窗口后， 搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手首先檢查系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài)，初始狀態(tài)是指：①加工站是否完成加工，處于等待搬運(yùn)狀態(tài)，否則機(jī)械手上紅色警示燈閃爍，系統(tǒng)不允許運(yùn)行。②檢查機(jī)械手氣動(dòng)執(zhí)行元件是否處在最左端，縮回，最上端位置，手抓是否處在放松狀態(tài)，若否，則機(jī)械手上的黃色警示燈閃爍，系統(tǒng)不允許自動(dòng)運(yùn)行，需要手動(dòng)運(yùn)行，使機(jī)械手處在最左端，縮回，最上端位置，手抓處于放松狀態(tài)。若上述條件滿足，機(jī)械手黃色警示燈常亮，表述機(jī)械手準(zhǔn)備就緒。

(3)搬運(yùn)站氣動(dòng)機(jī)械手初始狀態(tài)就緒后，系統(tǒng)可以進(jìn)行單周期運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行選擇，在單周期運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，按下觸摸屏上啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，綠色燈常亮，表示系統(tǒng)正在運(yùn)行，搬運(yùn)站氣動(dòng)機(jī)械手需要完成左偏轉(zhuǎn)-伸出-下降-夾緊-上升-縮回-右偏轉(zhuǎn)-伸出-下降-放松-上升-縮回-左偏轉(zhuǎn)整個(gè)工作過程，在觸摸屏中能夠監(jiān)控此工作過程[5]。

2系統(tǒng)氣動(dòng)原理

搬運(yùn)站氣動(dòng)機(jī)械手需要完成左偏轉(zhuǎn)、右偏轉(zhuǎn)、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個(gè)自由度的工作，分別由旋轉(zhuǎn)氣缸，直線氣缸和夾爪氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂動(dòng)作，在氣缸的表面刻有端槽，用于安裝磁性開關(guān)來對(duì)氣缸限位，氣動(dòng)原理圖如圖1所示，其中旋轉(zhuǎn)氣缸用于左右偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°,其動(dòng)作由一個(gè)三位五通電磁閥控制，且在左右偏轉(zhuǎn)的極限位置安裝有機(jī)械阻尼裝置，以減小偏轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊力，兩個(gè)直線氣缸用于上下運(yùn)動(dòng)和收縮控制，由兩個(gè)兩位五通電磁閥控制，夾爪氣缸用于夾緊和放松，由一個(gè)兩位五通閥控制，與氣缸連接的氣管上安裝有節(jié)流閥，控制氣缸運(yùn)行的速度和平穩(wěn)性[6]。

圖1　機(jī)械手氣動(dòng)原理圖

3氣動(dòng)機(jī)械手電控系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

氣動(dòng)機(jī)械手電控系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、氣缸、電磁閥和傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理圖[7]如2所示。

圖2　氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖

通過對(duì)控制系統(tǒng)要求和氣動(dòng)控制原理的分析，系統(tǒng)均為開關(guān)量控制，共有8個(gè)輸入和11個(gè)輸出，從滿足系統(tǒng)要求和簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，選用西門子S7-200PLC CPU224作為控制器，該控制器本身帶有14路的開關(guān)量輸入和16路開關(guān)量輸出，能夠滿足系統(tǒng)控制對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)的要求，具備兩個(gè)通信端口prot0和prot1，prot0通過PPI電纜與PC相連，完成程序的編制和下載，prot1通過RS485電纜與觸摸屏相連[8]；上位機(jī)選用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為組態(tài)監(jiān)控設(shè)備，該觸摸屏為嵌入式一體化觸摸屏，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、圖像顯示和傳輸反應(yīng)能力，能夠在線和離線組態(tài)，通過RS485電纜與PLC通信端口連接，完成參數(shù)設(shè)置、命令輸入、運(yùn)行監(jiān)控、報(bào)警報(bào)表輸出等任務(wù)；PLC的輸入接8個(gè)控制按鈕，控制設(shè)備就地手動(dòng)運(yùn)行，用于設(shè)備調(diào)試和檢修，輸出接8個(gè)電磁換向閥和3個(gè)指示燈用于系統(tǒng)控制和工作狀態(tài)指示。

3.2系統(tǒng)PLC編程

在氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)中，PLC既是I/O接口，也是控制器，系統(tǒng)的控制任務(wù)由PLC來完成，由于該氣動(dòng)機(jī)械手有就地手動(dòng)和觸摸屏控制兩種方式，就地控制需要有8個(gè)按鈕手動(dòng)控制，8個(gè)按鈕直接控制輸出的電磁換向閥，用于手動(dòng)調(diào)試和檢修，不占用PLC的輸入端口，但4個(gè)氣缸限位需要用到8個(gè)磁性開關(guān)，所有需要8個(gè)數(shù)字量輸入端口，觸摸屏控制方式下有單周期運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行選擇，由于PLC的輸入只能讀取，不能寫入，觸摸屏與PLC控制時(shí)需要通過在觸摸屏中設(shè)置軟開關(guān)來實(shí)現(xiàn)控制，在觸摸屏中點(diǎn)擊軟開關(guān)，對(duì)PLC輔助繼電器M發(fā)布啟停控制命令，即可控制PLC中輸出線圈的變化，應(yīng)用系統(tǒng)選用M10.1作為單周期運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行選擇軟開關(guān)對(duì)應(yīng)的PLC地址，M10.2作為系統(tǒng)復(fù)位軟開關(guān)對(duì)應(yīng)的PLC地址，M10.3作為系統(tǒng)啟動(dòng)軟開關(guān)對(duì)應(yīng)的PLC地址，M10.0作為等待搬運(yùn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的PLC地址，此信號(hào)由加工站通過網(wǎng)絡(luò)通信控制，上述分析確定氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的PLC I/O分配如表1所示。

表1　 機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)PLC I/O點(diǎn)分配表

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手初始化完成，在單周期運(yùn)行或自動(dòng)運(yùn)行條件下，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手需要完成左偏轉(zhuǎn)、右偏轉(zhuǎn)、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個(gè)自由度的工作，確定機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)的功能流程圖如圖3所示。

圖3　機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)控制功能流程圖

3.3系統(tǒng)觸摸屏設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為組態(tài)監(jiān)控設(shè)備，觸摸屏中控制系統(tǒng)的組態(tài)需要在MCGS組態(tài)軟件下組態(tài)，在MCGS組態(tài)界面要完成氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)界面的制作，變量的建立，屬性的設(shè)置，且在設(shè)備窗口完成設(shè)備組態(tài)及MCGS與PLC之間的變量的連接，MCGS變量與PLC之間的連接如表2所示。

表2　氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)MCGS變量與PLC變量連接表(部分)

在MCGS的設(shè)備窗口，添加通用串口父設(shè)備，西門子_S7200PPI，設(shè)置參數(shù)，連接變量即可調(diào)試，具體調(diào)試方法參見文獻(xiàn)[9]，調(diào)試成功后，將帶扁平接口的USB線的扁平口端連觸摸屏，USB端連接PC進(jìn)行下載，選擇“聯(lián)機(jī)運(yùn)行”，連接選擇“USB通訊”，通訊成功點(diǎn)擊“工程下載”即可將組態(tài)畫面下載到觸摸屏。

4調(diào)試與應(yīng)用

4.1調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試前，仔細(xì)檢查觸摸屏、PLC、電磁換向閥的電源供電及接線狀況，檢查氣泵的壓力，若無(wú)問題即可進(jìn)行就地手動(dòng)調(diào)試，通過電磁閥上手控旋鈕，調(diào)整氣缸的行程距離，調(diào)節(jié)傳感器的安裝位置及機(jī)械阻尼裝置的位置，通過氣管上的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)行速度和平穩(wěn)性，以上條件均無(wú)問題即可進(jìn)入初始狀態(tài)調(diào)節(jié)階段，初始狀態(tài)正?？蛇M(jìn)行觸摸屏、PLC、氣動(dòng)機(jī)械手聯(lián)調(diào)階段，重點(diǎn)檢查通訊，通訊成功可進(jìn)行單周期運(yùn)行，運(yùn)行中出現(xiàn)的硬件問題問題重新在手動(dòng)調(diào)試中調(diào)整，編程問題需要在S7-200程序中完成，組態(tài)設(shè)置問題需要在組態(tài)軟件中完成，完成后重新下載程序和組態(tài)，直至單周期調(diào)整完成，單周期運(yùn)行完成后可以自動(dòng)運(yùn)行[10]。

4.2應(yīng)用

系統(tǒng)調(diào)試成功后可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行，聯(lián)機(jī)運(yùn)行效果圖如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，氣動(dòng)機(jī)械手正處于抓緊工件并將工件下放階段，夾緊指示燈和下降指示燈指示機(jī)械手運(yùn)行的動(dòng)作，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)監(jiān)控，且機(jī)械手搬運(yùn)工件的數(shù)量實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏界面，歷史報(bào)表可以查看機(jī)械手搬運(yùn)工件的歷史數(shù)據(jù)；手動(dòng)界面可進(jìn)行軟件手動(dòng)運(yùn)行。應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果表明，PLC氣動(dòng)機(jī)械手能夠很好完成搬運(yùn)任務(wù)，滿足系統(tǒng)的控制要求，觸摸屏的應(yīng)用增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的可視性，二者的結(jié)合提高了搬運(yùn)站的搬運(yùn)效率，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了生產(chǎn)成本。

圖4　系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

5結(jié)束語(yǔ)

本文以生產(chǎn)線搬運(yùn)站機(jī)械手搬運(yùn)為載體，介紹PLC和觸摸屏在搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手中的應(yīng)用，給出了系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件構(gòu)成、PLC的I/O分配、觸摸屏與PLC的通訊及變量連接，設(shè)計(jì)了友好的人際界面。經(jīng)過對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用，系統(tǒng)滿足搬運(yùn)站的控制要求，可靠性、穩(wěn)定性好，為教學(xué)和實(shí)際生產(chǎn)提供一種參考。

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(編輯李秀敏)

Application of PLC and Touch-screen in the Multi-DOF Pneumatic Manipulator

WANG Xiao-juana, HU Bingb

(a.Foundational Department;b.Department of Electrical and Information Engineering,Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi 830011,China)

Abstract：According to the requirements of handling stations for pneumatic manipulator, this paper puts forward a method that PLC as the controller, touch-screen as the upper machine, electromagnetic valve and cylinder as drivers. the paper emphatically introduces pneumatic principle of manipulator and hardware structure and software programming and the design of Touch-screen, being tested and applied, the system meets the control require and has high security, reliability and stability.

Key words：PLC; manipulator; touch-screen; multi-DOF

中圖分類號(hào)：TH138;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王小娟(1984 —)，女，湖北孝感人，新疆工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)檫\(yùn)籌學(xué)與控制論方面的科研和教學(xué)工作，(E-mail)2003042121@163.com。

*基金項(xiàng)目：2013年度新疆工程學(xué)院教改基金項(xiàng)目(2013gcxyj17kg1407)

收稿日期：2015-04-14；修回日期：2015-05-15

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0058-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.016