龙门式气动机械手的PLC控制系统研究_沈侃.pdf

2023 年 4 月下131Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备龙门式气动机械手的 PLC 控制系统研究*沈侃，曹嘉佳，徐宇（苏州工业园区职业技术学院智能制造学院，江苏 苏州 215123）摘要：【目的】为满足工业生产的需要，气压传动被广泛地应用在工业控制领域。其中，龙门式气动机械手模拟了现场搬运工作过程，主要运用在一些小巧轻便且不易变形的工作环境中，有效提高了现场工作效率，然而却面临着继电器控制拓展困难的问题。【方法】课题组对龙门式气动机械手的PLC控制系统进行研究，研究发现龙门式气动机械手以压缩空气为传输介质，以三菱FX1N系列PLC为控制器，运用三菱的编程软件GX Works2来实现无杆滑台气缸横向运动，双轴气缸和超薄气缸的升降运动以及气动手指的夹取动作，模拟了生产过程中工件的搬运夹取工作。【结果】通过用PLC控制有效克服了继电器控制拓展困难的问题，用软触点取代了硬触点，提高了龙门式气动机械手的可靠性。【结论】本研究可为PLC控制系统在龙门式气动机械手中的应用提供启示。关键词：龙门式；气动机械手；搬运；PLC控制中图分类号：TP241；TP273 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.039随着现代制造业技术的飞速发展，机械手是为了满足工业生产需要而产生的智能控制装置，很多工业机器人已经能满足绝大多数的需求，但高昂的价格在一些简单的生产中也属于大材小用了。简单的气动机械手更符合一些中小企业和小批量订单的需求，气动机械手因具有反应快、无污染、经济成本低和不易损坏等特点被广泛应用于工业生产中。气动系统由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件等组成1。龙门式气动机械手以压缩空气为传输介质，通过三菱FX1N系列PLC对其进行上下、左右和取放动作的控制，完成对球形工件的搬运工作。1 龙门式机械手的相关技术参数龙门式机械手主要分为机械控制部分和电气控制部分。机械部分利用4种不同类型的气缸组成各个运行模块，各个模块之间通过气缸的冲程回程间的配合来完成。机械手部分分为三个模块：水平滑台模块、升降模块和夹持模块。工件滑道及出料部分主要有两个模块：滑道模块和出料模块。1.1 龙门式机械手机械结构与工作原理龙门式气动机械手主要由机械手部分、工件滑道及出料部分组成。机械手部分主要由水平滑台模块、升降模块和夹持模块组成。水平滑台模块用了一个无杆滑台气缸，气缸安装在立柱及底板上；升降模块用了一个双轴气缸；夹持模块用了一个Y开闭型气动手指，夹持夹具两个。为了检测滑台气缸的两个极限位置，升降模块的上升、下降两个极限位置以及气动手指夹放的位置均采用了二线制感应开关传感器。工件滑道及出料部分包含了滑道模块和出料模块。出料模块由一个超薄气缸和一个工件料筒组成，超薄气缸可以将球形工件托举出工件料筒，方便气动手指夹取它2。整个龙门式气动机械手的工作压力为0.4 MPa0.6 MPa，最大压力不超过0.8 MPa。龙门式机械手的自由度包括三个直线运动和一个气动手指夹取动作，实现了将一个工件从出料仓夹取搬运到另一侧。动作包括了气动的X轴和Z轴运动，实现夹紧和放松功能。龙门式气动机械手外观如图1所示。1.2 龙门式机械手的电气控制方式龙门式机械手是由三菱PLC 控制的，根据要求的不同可以分为手动控制和自动控制两种。手动控制属于辅助控制模式，主要用于系统安装调试和系统维护，在手动控制方式下可以通过“开始”按钮对机械手各个部分进行独立控制3。自动控制模式是以PLC为控制器，机械手按照预先编写的程序进行动作。自动控制模式根据执行周期的差异可以分为单循环和连续循环动作。单循环控制会按照动作要求完成一个周期动作后停止工作4。连续循环控制在按下“开始”按钮后执行全周期动作，当按下“停止”按钮方可停止，当遇到紧急情况时按下“急停”按钮基金项目：江苏省高等教育信息化研究重点课题“空中课堂 备教研学评实践探究以PLC课程为例”（2021JSETKT033）；苏州工业园区职业技术学院2021年院级重点课题“职业院校现代学徒制试点的线上教学研究实践”（2021IVT02JD43）；江苏高校哲学社会科学研究一般项目课题“研究导向型 教学模式在高职教育中的应用研究”（2022JYT01ZZ12）作者简介：沈侃（1986），男，江苏苏州人，硕士研究生，讲师，工程师，研究方向为电气控制与自动化。1322023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备也可停止当前动作。图1龙门式气动机械手外观1.3 龙门式机械手的气动系统龙门式气动机械手的气动系统是整个机械手完成各种操作的主要执行元件，根据预设的程序执行不同任务，来使整个控制过程更高效。在气源处理元件中，带有过滤调压阀一套，因为设备小巧，故选用了GFR200系列，带有手滑阀5。在整个气动系统回路中，用三位五通双电控电磁阀控制无杆滑台气缸，二位五通双电控电磁阀控制气动手指，两个二位五通单电控电磁阀控制升降模块的双轴气缸和超薄气缸。滑台气缸、双轴气缸和超薄气缸都安装了可调双向节流阀，控制气缸的进气流量和气缸运行速度。气动系统回路图如图2所示。2 龙门式气动机械手的控制系统设计在现代的控制系统中，PLC（可编程控制器）主要应用在工业生产中，操作简单，易于修改局部的程序内容。龙门式气动机械手的控制系统主要由三菱FX1N系列PLC、I/O端子、传输电缆以及控制按钮开关组成6。三菱FX1N系列PLC是功能很强大的微PLC，可扩展到多达128个I/O点，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。2.1 控制系统的构成龙门式气动机械手的控制系统主要由PLC控制器、I/O端子、数据通信电缆以及按钮开关组成。此设备主要用于教学上的模拟，因此选择了开关电源，输出DC 24 V。控制按钮模块上，总共有6个按钮，其中绿色带灯按钮2个，用于开始和上电；红色带灯按钮1个，用于停止；黄色带灯按钮1个，用于程序复位；急停按钮1个，用于突发情况下设备的紧急停止；黑色旋钮1个，用于手/自动的切换。整个控制系统是通过PLC来控制的，而PLC通过控制电磁阀线圈来驱动气缸按照程序完成命令操作，使气缸执行左右图2气动系统回路图42513 Y0左移 Y1右移75%75%42513 Y2打开 Y3夹紧42513 Y4下降42513 Y5伸出213 X0左 X1右 X3夹 X2开 X4上 X5下 X6下 X7上80%80%70%70%SDA超薄气缸TN双轴气缸HFY气动手指RMT无杆滑台气缸过 滤 调 压阀手 滑 阀2023 年 4 月下133Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备移动、升降、取放等动作7。机械手的各个动作也是通过多个两线制感应传感器来检测气缸位置。龙门式气动机械手控制系统设计方案中共需要13个输入量和9个输出量，所以本次系统选用了FX1N-40MR型的三菱 PLC，该款 PLC 有 24 个输入，16 个输出。PLC控制系统接线如图3所示。图3PLC控制系统接线2.2 输入、输出的分配在龙门式气动机械手控制系统中，输入部分主要分为用于检测气缸位置的传感器和各个按钮。X0X7分别代表了无杆滑台气缸的左右两个极限位置，气动手指的开合，双轴下降气缸的上下两个限位和工件提升超薄气缸的上升下降。控制龙门式气动机械手的启动按钮为X10，系统复位按钮为X11，系统停止按钮为X12，为了便于系统的调试和运行，设置了手/自动切换的旋钮X13，为了保证系统安全用电，上电按钮为X14。输出信号主要有各电磁阀线圈信号和各指示灯8。其中，Y0和Y1为无杆滑台气缸的三位五通双电控电磁阀线圈信号，Y2和Y3为气动手指的二位五通双电控电磁阀线圈信号，Y4和Y5是双轴下降气缸和工件提升超薄气缸所用的二位五通单电控电磁阀线圈信号。Y4得电表示双轴下降气缸在下降状态，失电则表示双轴下降气缸在上升状态。Y5得电表示工件提升超薄气缸在上升状态，失电则表示工件提升超薄气缸在下降状态。Y7为停止指示灯，Y10为开始指示灯，Y11为复位指示灯。2.3 控制系统设计根据龙门式气动机械手的动作要求，在控制系统设计过程中要求无杆滑台气缸的左位，气动手指的松开位，双轴下降气缸的上位，工件提升超薄气缸的下位是整个系统的初始状态。当龙门式气动机械手系统上电后，系统自动复位检测，若系统不在复位状态，需按下复位按钮X11。当操作人员按下启动按钮X10，无杆滑台气缸保持在左位，无杆滑台气缸左位X0有信号。双轴下降气缸Y4得电，气缸下降传感器X5有信号9。工件提升超薄气缸Y5得电，超薄气缸上升到位X7有信号。气动手指Y3得电，夹紧位X3有信号，为了保证能够夹住工件，此处设置了0.3 s的延时。在夹住工件后双轴下降气缸Y4失电，气缸上升到位 X4 有信号。工件提升超薄气缸 Y5 失电，超薄气缸下降到位X6有信号。无杆滑台气缸Y0失电，Y1得电后到达最右侧X1有信号。双轴下降气缸Y4得电，气缸下降传感器 X5 有信号。气动手指 Y2 得电，气爪打开X2有信号。为了保证彻底松开工件，设置了0.3 s的延时。双轴下降气缸Y4失电，气缸上升到位X4有信号。无杆滑台气缸Y1失电，Y0得电，无杆滑台气缸到最左侧X0有信号。整个过程可以分为调试阶段的手动控制模式和循环阶段的自动控制模式。利用编程软件GX Works2按照动作要求进行编程，从系统初始化开始，利用气缸上的传感器对其进行位置检测。GX Works2是一款三菱综合PLC编程软件，具有简单工程和结构化工程两种编程方式，支持梯形图、SFC、ST及结构化梯形图等编程语言10，可实现程序编辑、参数设定、网络设定、程序监控、调试及在线更改等功能。随着三菱PLC产品的不断升级，老型号不断被淘汰，软件兼容功能就很重要了，特别是软件的仿真功能，对龙门式气动机械手的调试监控有很大的帮助。3 总结龙门式气动机械手是集机械、气动和 PLC 控制于一体的机电一体化设备。通过用PLC控制有效克服了继电器控制拓展困难的问题，用软触点取代了硬触点，提高了龙门式气动机械手的可靠性。通过GX Works2编程软件可以为系统提供更加灵活的控制方式，为了提高精度，执行机构采用双电控电磁阀，可以更加准确地控制气流方向和速度。参考文献：1 李建校，尹飞超，贾旭，等.基于PLC的气动机械手控制系统设计J.产业与科技论坛，2019，18(22)：64-65.2 李秋芳.基于PLC的气动机械手控制系统设计技术研究J.数字技术与应用，2017(11)：12-13.3 苏金文.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究J.吉林农业科技学院学报，2017，26(3)：116-118.（下转第144页）1442023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备（上接第133页）消防水带接头（母）1上的卡槽（解锁公头），分离公母接头动作完成后，曲柄3恢复初始状态，组成一个曲柄连杆机构。此遥控式脱扣器不需要消防员前往机器人旁边手动解除水带公母接头，最大限度地保障一线消防员的人身安全，同时也提高了机器人的水带脱扣效率，适应新形势灭火实战需要。在这里采用DS312MG数字舵机，其推力可达4 kg6 kg，在卸丢水压状态下能更好地保障分离力度。1.消防水带接头（母）；2.脱扣环；3.曲柄；4.推杆；5.舵机；6.链杆；7.消防水炮连接管。图4遥控式脱扣器内部结构图3.2 遥控式脱扣器通信方式遥控式脱扣器的通信方式采用无线电信号远程遥控7-8。如图5所示，将舵机安装在脱扣器内，通过数据线将舵机与安装在机器人内部的接收机相连接。遥控时，发射机（即遥控器）通过无线电信号远程与接收机端通信，接收机收到信号后发出PWM信号控制舵机动作，替代人工扳动脱扣环，实现公母接头分离与消防水带的脱离。采用伺服电机PWM协议通信的可靠性高，要求较低：1）不用随时接收指令，减轻CPU的疲劳程度；2）可以实现位置自锁、位置跟踪。5 km图5遥控式脱扣器通信方式4 结束语消防员为了保护人民群众的生命财产安全负重前行，与此同时，保障消防员的生命安全非常重要，消防机器人的出现是一种好的发展，消防机器人能代替消防员进入高危的火场，遥控式脱扣器可以在原先基础之上进一步降低消防员在救援行动中的危险系数，又提高了撤退的效率，给消防员的工作带来了很大的帮助9-10。同时，该脱扣器结构简单，采用模块式结构，可以根据需要进行组合使用，具有防水、防爆外壳。相信在未来将会出现更多有助于消防作业的机械设备，提高消防安全工作效率和质量，保障人民群众和消防员的生命安全。参考文献：1 汪志明.消防机器人在灭火救援中的运用J.消防界（电子版），2022，8(3)：50-51.2 葛启发.消防机器人在灭火救援中的应用J.消防界（电子版），2021，7(22)：86-87.3 赵扬.消防机器人在灭火救援中的应用探析J.消防界（电子版），2021，7(23)：56-57.4 宋佳庆.新型消防机器人动力学分析与驱动系统研究D.武汉：武汉科技大学，2019.5 甘剑冰，韦家成，匡文.智能消防侦查机器人控制系统设计J.科技与创新，2021(4)：135-136.6 熊根.履带式消防机器人设计与仿真 D.南昌：南昌大学，2019.7 张利刚，王全良.基于无线网络的智能脱扣器设计J.计算机与现代化，2010(4)：122-124.8 马永召，尹明德.矿用汽车起动机电磁开关的防爆研究J.机械工程与自动化，2009(3)：168-169.9 薛天格.化工车间智能巡检机器人无线充电技术研究D.青岛：青岛科技大学，2021.10 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