基于PLC和MCGSE触摸屏控制的气动机械手实训教具设计.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n基于P L C和MC G S E触摸屏控制的气动机械手实训教具设计赵秀菊(浙江工贸职业技术学院,浙江 温州 )摘要:本设计共分为P L C控制、机械手动作、触摸屏控制、电气回路、气动回路等五大模块.主要控制方式为通过触摸屏人机交互智能控制界面与P L C主控原件进行信息交互,使电磁换向阀得电或失电,通过气动回路驱使机械手做出相应动作.关键词:机械手;P L C;触摸屏;气动回路中图分类号:T P 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g no fP r a c t i c a lT r a i n i n gA I D Sf o rP n e u m a t i cM a n i p u l a t o rB a s e do nP L Ca n dMC G S ET o u c hS c r e e nC o n t r o lZ h a oX i u j u(Z h e j i a n gI n d u s t r y&T r a d eV o c a t i o n a lC o l l e g e,Z h e j i a n gW e n z h o u )A b s t r a c t:T h i sd e s i g n i s d i v i d e d i n t o f i v em o d u l e s:P L Cc o n t r o l,m a n i p u l a t o r a c t i o n,t o u c hs c r e e nc o n t r o l,e l e c t r i c a lc i r c u i t a n dp n e u m a t i c c i r c u i t T h em a i nc o n t r o lm o d e i s t o i n t e r a c tw i t h t h eP L Cm a i nc o n t r o l o r i g i n a l t h r o u g h t h e t o u c hs c r e e nh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o l i n t e r f a c e,s ot h a t t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e v e r s i n gv a l v ec a ng a i no rl o s ep o w e r,a n d t h em a n i p u l a t o r i sd r i v e n t om a k e c o r r e s p o n d i n ga c t i o n s t h r o u g ht h ep n e u m a t i c l o o p K e yw o r d s:M e c h a n i c a lh a n d;P L C;T o u c hs c r e e n;P n e u m a t i c l o o p基金项目:浙江工贸职业技术学院教师科技创新项目 理工(G )作者简介:赵秀菊(),女,江苏丰县,汉族,助教,硕士,研究方向:机械工程.绪论工业用气动机械手主要是由机械系统、气动回路、电气系统、P L C控制器和触摸屏(人机界面)等单元构成的自动化系统.气动传动由于其工作环境洁净、响应速度快、无污染等特点,是工业应用现场最常见的一种机械传动形式.机械手应用技术是电气控制与机械系统的重要结合,广泛应用于生产线和各种自动化设备中.因此,气动机械手在工业现场获得了普遍应用,气动机械手除了能完成基本的抓取动作外,还可以执行较为复杂的定点搬运、金属焊接、零部件装配等动作.尤其在一些不适用人工作业的恶劣现场环境下(辐射、高温、高压等),气动机械手可以代替工人完成部分或全部工作,既保证了工人人身安全,同时也提高了工作效率.P L C(可编程控制器)具有高可靠性、强抗干扰能力、环境鲁棒性好、工业现场应用灵活等优点,是现代工业最广泛应用的控制设备.触摸屏(人机交互界面)以其直观性强、易于组态和操作、灵活性强、集成度高等特点,在人机交互领域得到广泛应用.控制系统作为气动机械手的最核心部分,其可靠性直接关系到整机的功能实现与运行安全,因此,探索气动机械手控制系统设计方法具有重要的教学及应用价值.机械手是一种能模仿人手动作,能在三维空间完成各种作业,按给定的程序或要求自动地实现对象的传送或操作,并具有可改变的和反复编程的机电一体化自动化机械装置.机械手作为自动化生产系统的执行机构,对于自动化生产系统的重要性不言而喻,而本次设计的P L C控制气动机械手便是模拟自动化生产线的机械手部分实现搬运器材等诸多功能.设计方案及教具组成系统总体设计主要实现以下功能:人机交互界面:通过MC G S E昆仑通态触摸屏控制机械手以不同方向、方式,起到实时监测、调节、控制机械手的实时状态.机械手控制:通过气动系统回路控制机械手,完成简单的移动与搬运.P L C多线程控制:利用P L C编写相关需求的机械手动作、运动方式等程序,组合后完成较为全面的运动系统.本设计共分为P L C控制、机械手动作、触摸屏控制、电气回路、气动回路等五大模块.主要控制方式为通过触摸屏人机交互智能控制界面与P L C主控原件进行信息交互,接收或发出相应信号控制电磁换向阀得电或失电,通过气动回路驱使气缸及机械手做出相应动作,整体框图如图.图气动机械手整体框图 年第 期气动回路设计 机械手动作当按下连续按键时,悬臂伸出,手臂下降,利用接近开关判断有无工件以及工件位置;气爪手指加紧工件,手臂上升,悬臂缩回,转动台左转,悬臂伸出,手臂下降,气爪手指松开,放下工件,然后原路返回到初始点,完成一个周期动作后依次循环.按下清除按钮后停止循环.气动机械手通过驱动电磁换向阀,控制悬臂气缸T N 、升降气缸T N 、摆 动 气 缸M S Q B A、夹 紧 气 爪 气 缸MH Z D的开关以及行程,为操纵气动机械手的升降运动、伸缩运动、回转运动以及夹紧松开运动,各个部件需要协调控制才能实现气缸动作的有序且准确.个气缸有严格的动作顺序要求,气动回路如图所示.通过气动系统回路控制机械手,结合P L C程序控制,使得机械手在单步、单周与连续的三种运行模式下完成简单的移动与搬运.气压源压缩空气过滤器减压阀 压力表 油雾器 两位五通电磁换向阀 单向节流阀 T N 双轴双杆气缸 T N 双轴双杆气缸 M S Q B A摆动气缸 MH Z D夹具气缸图气动回路原理图 气动回路主要部件的作用摆动旋转气缸M S Q B A:其具体应用场景常见于物体的转拉、翻转、分类、夹紧、阀门的开闭以及机器人的手臂动作等,本设计中将其作为物料夹取后的左转动作执行气缸.双轴双杆T N气缸:为了节省安装空间,采用双轴双杆T N气缸作为悬臂气缸以及升降气缸,该气缸的固定板三面均有安装孔,便于多位置加载,本次设计选用的气缸型号为T N ,T N ,分 别 为 悬 臂 气 缸 以 及 升 降气缸.平行气动气爪夹具导轨机械手气缸:又名气动手指或气动夹爪,可以在压缩空气驱动下,执行夹取或抓取工件的作业动作,本次设计选用的是该系列MH Z D气缸.两位五通电磁换向阀:控制流体方向的自动化基础元件.我们选取的是型号为 V ,此电磁阀,使用电源为 V直流电源,具有密封性好,反应灵敏等特点.在气路进出回路均设计了单向节流阀,该节流阀用于调节气缸动作的速度及稳定性.行程开关与接近开关:行程开关与接近开关作为气动回路的传感器,起到起点限位、中点检测、终点限位检测等传感 作 用,进 而 实 现 对 机 械 手 执 行 机 构 的 控 制 和保护.气动机械手优点气动机械手的动力来源是压缩空气,具有取之不尽,用之不竭的显著特征;由于空气粘度小,在管道中的压力损失就小,不仅可以节约能源,还能提高生产效率;另外气动与P L C、电气相结合时,易于实现复杂的自动循环工作,在医药、化工、食品等多个加工制造行业被推广使用.控制系统的P L C选型和系统资源配置 P L C选型由于实训台控制系统的输入/输出接点少,要求性价比高,制造成本低,维护方便,故在本次设计中选用三菱公司的F X S MR型可编程控制器.该主机为继电器输出,有 个 输 入 点,个 输 出 点,完 全 能 够 满 足 使 用要求.系统资源分配与接线图三菱P L C市场占有率高,其中的F X系列是小形化,高响应速度,高性能典型代表之一,是一套可以广泛满足多样化工业现场需求的小型P L C.此设计使用了输出输入共计十个点,其I/O分配以及接线图如图所示.P L C来作为控制电气回路的设备.图P L C控制与电气接线示意图 P L C程序在触摸屏主控界面登录,进去执行界面依次选取机械手工作位置、工作方式,点击启动按钮机械手开始动作.利用P L C编写相关需求的机械手动作、运动方式的程序,组合后形成较为全面的运动系统.程序要求如下:能通过模式转换按钮对机械手进行连续、单周、单步三个模式之间切换;单步模式下,可根据需求控制机械手气缸动作,也可手动复位机械手;连续模式下,当按下启动按钮后,机械手按照触摸屏预设位置自动运行,完成一个周期后继续执行下一个周期,直至按下清除按钮,机械手回到原位置.图(a)为机械手连续运行时调用的程序,还可以按照用户的需求,根据工件的位置,从而修改机械手夹件位置,方向选择程序为图(b).内燃机与配件w w w n r j p j c n(a)机械手连续运行梯形图(b)机械手方向选择梯形图图P L C程序触摸屏P L C人机交互界面设计触摸屏(人机交互界面)是新一代高科技人机界面交互产品,是操作人员和机器设备进行双向沟通的窗口,因其编程简单,高可靠性,使用维护方便等特点,特别适合在现场控制中使用.本次设计选用的是型号为昆仑通态(T O C K F)触摸屏,用于快速构造和组态上位机监控系统画面.其功能主要有生产现场数据的采集与监测、采集到数据的前端处理与控制.本机械手实训台触摸屏界面设计如图所示.在屏幕中间设置了P L C的启动和清除按钮,左侧第一列为调整工件位置按钮,第二列为模式切换按钮,在对设备进行调试时,可以对任意气缸进行控制,而在正常运行时,一般选择连续循环模式,仅需要使用启动和清除按钮.屏幕右侧为机械手运行状态实时监测及问题提示.图 触摸屏控制界面调试 P L C的调试先检查P L C线路的完好性,有无短路现象,连接插头的火零线检查.给三菱P L C上电后,检查每个X端口有无信号反馈,Y端口有无信号输出.电路的调试电路调试规范要求任何组装好的电路,在通电之前都必须认真检查接线是否正确.检查的标准流程是对照电路图,按顺序逐级对应检查,以防错漏.例如:对气动电磁阀的正负极有无短接、反接与漏接问题,拨动行程开关有无掉落现象.给其上电后检查各个部分有无反应,行程开关拨动到底后,会产生P L C信号的反馈.触摸屏的调试触摸屏调试分为通讯测试、用户登录测试、报警显示测试以及实时位置显示测试.其中通讯测试,调试的是触摸屏与P L C、电脑的I P地址通讯联接,确保发送,接收信号功能正常.报警显示测试,比如选择了运行位置之后未选择模式,或选择运行模式未选择运行位置而直接点击启动按钮,触摸屏会发出报警.实时位置显示调试,当机械手运动时位置发生改变,会在触摸屏界面上实时显示.利用单步模式进行实时位置显示测试的调试,保证触摸屏能准确,及时的显示当前机械手的位置.结论本次基于P L C和MC G S E触摸屏控制的气动机械手实训教具设计,旨在激发学生对于液压与气动技术、P L C编程及应用、电工电子技术等多门课程的学习兴趣,轻松学会知识点的同时鼓励学生学以致用,大胆设计,勇于创新.参考文献:周晓娟,台畅基于P L C的四自由度气动机械手控制系统设计研究J中国设备工程,():范金玲基于P L C的气动机械手控制系统设计J液压与 气 动,():D O I:/j i s s n 周鹏基于P L C控制器的气动机械手设计J机床与液压,():D O I:C NK I:S UN:J C Y Y 崔慧娟,朱建雷基于P L C的气动机械手多向耦合运动控 制 方 法 研 究 J液 压 气 动 与 密 封,():郝飞基于P L C的气动机械手精准位置控制系统的设计J机床与液压,():卢光,赵秀菊基于P L C的全自动气动钻床教学实训台的研发J浙江工贸职业技术学院学报,():牟应华,陈玉平三菱P L C项目式教程M北京:机械工业出版社 ():