基于PLC與組態軟件控制的教學型氣動機械手研制

付洪保

（唐山學院機電工程系，河北 唐山 063000）

0 引言

氣動機械手具有結構簡單、污染小、成本低、易于實現直線運動、控制簡便、傳動快速以及環境適應性強等特點，廣泛應用于電子制造、包裝印刷、食品加工等領域。它有多個自由度，可用來搬運工件以完成在不同環境中的工作［1］。可編程序控制器（PLC）作為一種工業環境下的計算機控制裝置，具有極高的可靠性及應用便利性，得到了迅速普及和高速發展，日益成為機電控制及過程控制的關鍵部件。目前國內高校機械設計制造及其自動化、測控技術及儀器、機電一體化等專業普遍開設液壓與氣壓傳動、可編程控制器、傳感器數據處理等課程，傳統的實驗裝置無法滿足培養機電一體化綜合知識運用能力的教學要求，迫切需要體現行業發展趨勢、技術先進的機電一體化實驗設備。為此，本文以一種通用的平面關節型搬運機械手為原型，應用工業標準的機械、電氣和氣動元件，設計了一種基于三菱PLC控制的四自由度教學型氣動機械手，并采用組態軟件實現上位機控制，能夠抓取平面內工件并旋轉、上下移動。該實驗裝置能為以上課程的綜合設計性實驗服務，培養學生機電一體化知識綜合運用能力。

1 總體設計

機械手由擺動氣缸、雙聯氣缸、標準氣缸和手爪組成，如圖1所示。具有4個自由度。工作時，擺動氣缸旋轉至立柱左側至限位位置，雙聯氣缸水平伸出，標準氣缸垂直下降，末端手爪抓取工件。擺動氣缸左右極限位置由接近開關控制，其他氣缸由磁性開關控制其運動位置。機械手動作過程由PLC進行控制，上位機組態實時監控。

圖1 氣動機械手結構

2 氣動系統設計

氣動機械手氣動系統原理如圖2所示。由于系統采用氣壓傳動，在設計時要考慮系統調壓、出口節流、順序動作以及安全等問題，要求手臂不會因自重而下滑，手爪抓緊可靠。

圖2 氣動機械手氣動系統原理圖

按照機械手4個自由度結構，氣缸選擇如下：（1）擺動氣缸：SMC，型號CRB1BW30-180S，缸徑10 mm，擺動角度180°。（2）雙聯氣缸：SMC，型號CXSM15-100，缸徑15 mm，帶磁性開關。（3）標準氣缸：SMC，型號 CDJ2KB16-60-B，缸徑10 mm，行程15 mm，帶磁性開關。（4）末端手爪：SMC，型號 M HZ2-10D，手指數2，缸徑10 mm。

3 電氣控制系統設計

根據機械手動作要求以及氣動系統原理，其電氣執行元件（氣動電磁閥）選用直流24 V的型式，安全可靠，并設置了狀態顯示燈。（1）機械手動作順序如下：系統上電，復位燈閃，按復位按鈕，復位等滅，開始燈閃，按開始按鈕，開始燈滅，擺動氣缸至左位（初始位置），雙聯氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪松開，夾緊工位1工件，氣缸4上升，雙聯氣缸2收縮，擺動馬達旋轉至右位，雙聯氣缸2伸出，氣缸4下降，手爪放松，放置工件至工位2。擺動氣缸回左位。1個工作行程結束，工件自工位1轉移至工位2。（2）PLC選擇：采用三菱FX2N-48MR型PLC，輸入點數24，輸出點數24。外圍設備方面采用上位工控機編程，RS-485通信方式，外部輸入設備有接近開關、按鈕和電磁閥等，外部輸出設備有繼電器、指示燈等。圖3為機械手輸入地址分配。

圖3 機械手輸入地址分配

4 組態實時監控

組態的概念最早來自英文configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到計算機或軟件按照預先設置、自動執行特定任務、滿足使用者要求的目的。組態王軟件是用于在上位機上實現監控的一種智能化軟件，操作簡便直觀。它使采用PC機開發的系統比以往使用專用機開發的工業控制系統更有通用性，大大減少了工控軟件開發者的重復性工作，并可運用PC機豐富的軟件資源進行二次開發。組態王軟件包由工程管理器（組態王）、工程瀏覽器、畫面運行系統、信息窗口等4部分組成。其中，工程管理器用于新建工程和對工程進行管理。工程瀏覽器用于將畫面制作系統中已設計的圖形畫面、命令語言、設備驅動程序、各種報表等工程資源進行集中管理。畫面運行系統是組態王軟件的實時運行環境。信息窗口是一個獨立的Windows應用程序，用來記錄、顯示組態王開發和運行系統在運行時的狀態信息［2］。

組態王變量的基本類型共有2類：內存變量、I／O變量。搬運機械手單元共定義了1個內存離散變量和17個內存整型變量。I／O變量是指可與外部數據采集程序直接進行數據交換的變量，搬運機械手單元上位機與PLC進行通信定義了13個變量，表1列舉了部分基本變量。

表1 搬運機械手單元部分變量

這種數據交換是雙向的、動態的，就是說：在組態王系統運行過程中，每當I／O變量的值改變時，該值就會自動寫入PLC或應用程序；每當PLC或應用程序中的值改變時，組態王系統中的變量值也會自動更新。所以，這些從PLC采集來的數據、發送給下位機的指令，例如“ST2輸出禁止”“ST2復位中”等變量，都需要設置成I／O變量。

5 結語

搬運機械手單元機械結構部分大多采用標準件，電氣控制系統元件少，控制柜和機械部分做成一體。由于采用組態軟件和PLC編程，其動作行程可根據現場實際情況隨時進行調整。該氣動機械手經安裝、調試，能夠在模擬生產線上良好運行。此系統簡單可靠，安全性高，可重復性好，模塊化，各項性能指標滿足機電一體化教學任務的要求。

［1］王月芹.基于PLC的機械手控制系統設計.液壓與氣動，2011（9）

［2］北京亞控科技發展有限公司.組態王中文手冊，2001