PLC和觸摸屏在多自由度氣動機械手系統中的應用*

王小娟，胡　兵

(新疆工程學院a.基礎部；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機械手系統中的應用*

王小娟a，胡兵b

(新疆工程學院a.基礎部；b.電氣與信息工程系，烏魯木齊830011)

摘要：針對生產線中搬運站對搬運氣動機械手的要求，提出觸摸屏作為上位機，PLC作為控制器，電磁閥、氣缸作為驅動設備的氣動機械手控制方法。重點介紹了系統氣動原理、硬件構成、軟件編程和觸摸屏的設計，經過調試試驗和應用，系統滿足控制要求，具有安全性高、可靠性和穩定性好的優點。

關鍵詞：：PLC；機械手；觸摸屏；多自由度

0引言

隨著社會的進步、經濟的發展和人們生活水平的提高，人們對生產自動化的要求越來越高，尤其在易燃、易爆、高溫、高壓、高強度等人不能接受的特殊場合，迫切需要生產自動化，機械手具有靈活的運動性，運行的平穩性和操作簡單性，能夠適應特殊場合的生產自動化，廣泛應用于工業、農業、食品加工業等領域[1-2]。氣動設備采用潔凈空氣作為傳動介質，具有安全性好，成本低的特點，結合現代傳感器技術、PLC技術、伺服驅動技術，能夠實現控制靈活、定位精確、運動可調節的功能[3]。觸摸屏具有實時監控、靈活修改參數及報警顯示等等特點，與PLC結合控制機械手，能夠使機械手操作方便，運行可視化。

目前，工業生產中氣動機械手主要由PLC控制，實時監控和可視化效果欠缺，為此，本文綜合氣動機械手、PLC技術和觸摸屏技術的特點，以生產線搬運站為載體，提出PLC和觸摸屏控制多自由度機械手的方法，期望做到安全可靠，減小勞動強度和提高生產效率，為實際生產和教育教學提供參考。

1系統控制要求

生產線由加工站、搬運站和裝配站組成，加工站完成對工件的加工后，發出完成信號，由搬運站氣動機械手將工件從加工站搬運到裝配站，由搬運站完成對工件的裝配，并且由觸摸屏監控程序運行狀況，其中搬運機械手有左偏轉、右偏轉、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個自由度[4]，分別由相應的氣缸、電磁換向閥、磁性開關結合PLC完成控制任務，具體控制要求為：

(1)為了便于調試和檢修，要求系統能夠就地手動控制。

(2)觸摸屏切換到主控畫面窗口后， 搬運氣動機械手首先檢查系統是否處于初始狀態，初始狀態是指：①加工站是否完成加工，處于等待搬運狀態，否則機械手上紅色警示燈閃爍，系統不允許運行。②檢查機械手氣動執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，若否，則機械手上的黃色警示燈閃爍，系統不允許自動運行，需要手動運行，使機械手處在最左端，縮回，最上端位置，手抓處于放松狀態。若上述條件滿足，機械手黃色警示燈常亮，表述機械手準備就緒。

(3)搬運站氣動機械手初始狀態就緒后，系統可以進行單周期運行和自動運行選擇，在單周期運行或自動運行狀態，按下觸摸屏上啟動按鈕，系統啟動，綠色燈常亮，表示系統正在運行，搬運站氣動機械手需要完成左偏轉-伸出-下降-夾緊-上升-縮回-右偏轉-伸出-下降-放松-上升-縮回-左偏轉整個工作過程，在觸摸屏中能夠監控此工作過程[5]。

2系統氣動原理

搬運站氣動機械手需要完成左偏轉、右偏轉、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個自由度的工作，分別由旋轉氣缸，直線氣缸和夾爪氣缸驅動機械臂動作，在氣缸的表面刻有端槽，用于安裝磁性開關來對氣缸限位，氣動原理圖如圖1所示，其中旋轉氣缸用于左右偏轉，轉動角度為180°,其動作由一個三位五通電磁閥控制，且在左右偏轉的極限位置安裝有機械阻尼裝置，以減小偏轉時的沖擊力，兩個直線氣缸用于上下運動和收縮控制，由兩個兩位五通電磁閥控制，夾爪氣缸用于夾緊和放松，由一個兩位五通閥控制，與氣缸連接的氣管上安裝有節流閥，控制氣缸運行的速度和平穩性[6]。

圖1　機械手氣動原理圖

3氣動機械手電控系統

3.1系統硬件構成

氣動機械手電控系統由觸摸屏、PLC、氣缸、電磁閥和傳感器構成，其結構原理圖[7]如2所示。

圖2　氣動機械手結構原理圖

通過對控制系統要求和氣動控制原理的分析，系統均為開關量控制，共有8個輸入和11個輸出，從滿足系統要求和簡單經濟的角度出發，選用西門子S7-200PLC CPU224作為控制器，該控制器本身帶有14路的開關量輸入和16路開關量輸出，能夠滿足系統控制對I/O點數的要求，具備兩個通信端口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]；上位機選用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為組態監控設備，該觸摸屏為嵌入式一體化觸摸屏，具有很強的數據處理、圖像顯示和傳輸反應能力，能夠在線和離線組態，通過RS485電纜與PLC通信端口連接，完成參數設置、命令輸入、運行監控、報警報表輸出等任務；PLC的輸入接8個控制按鈕，控制設備就地手動運行，用于設備調試和檢修，輸出接8個電磁換向閥和3個指示燈用于系統控制和工作狀態指示。

3.2系統PLC編程

在氣動機械手控制系統中，PLC既是I/O接口，也是控制器，系統的控制任務由PLC來完成，由于該氣動機械手有就地手動和觸摸屏控制兩種方式，就地控制需要有8個按鈕手動控制，8個按鈕直接控制輸出的電磁換向閥，用于手動調試和檢修，不占用PLC的輸入端口，但4個氣缸限位需要用到8個磁性開關，所有需要8個數字量輸入端口，觸摸屏控制方式下有單周期運行和自動運行選擇，由于PLC的輸入只能讀取，不能寫入，觸摸屏與PLC控制時需要通過在觸摸屏中設置軟開關來實現控制，在觸摸屏中點擊軟開關，對PLC輔助繼電器M發布啟停控制命令，即可控制PLC中輸出線圈的變化，應用系統選用M10.1作為單周期運行和自動運行選擇軟開關對應的PLC地址，M10.2作為系統復位軟開關對應的PLC地址，M10.3作為系統啟動軟開關對應的PLC地址，M10.0作為等待搬運狀態對應的PLC地址，此信號由加工站通過網絡通信控制，上述分析確定氣動機械手系統的PLC I/O分配如表1所示。

表1　 機械手搬運系統PLC I/O點分配表

根據控制系統的要求，當氣動機械手初始化完成，在單周期運行或自動運行條件下，按下啟動按鈕，機械手需要完成左偏轉、右偏轉、伸出、縮回、上升、下降、夾緊、放松多個自由度的工作，確定機械手搬運系統的功能流程圖如圖3所示。

圖3　機械手搬運系統控制功能流程圖

3.3系統觸摸屏設計

系統選用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為組態監控設備，觸摸屏中控制系統的組態需要在MCGS組態軟件下組態，在MCGS組態界面要完成氣動機械手系統界面的制作，變量的建立，屬性的設置，且在設備窗口完成設備組態及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　氣動機械手系統MCGS變量與PLC變量連接表(部分)

在MCGS的設備窗口，添加通用串口父設備，西門子_S7200PPI，設置參數，連接變量即可調試，具體調試方法參見文獻[9]，調試成功后，將帶扁平接口的USB線的扁平口端連觸摸屏，USB端連接PC進行下載，選擇“聯機運行”，連接選擇“USB通訊”，通訊成功點擊“工程下載”即可將組態畫面下載到觸摸屏。

4調試與應用

4.1調試

系統調試前，仔細檢查觸摸屏、PLC、電磁換向閥的電源供電及接線狀況，檢查氣泵的壓力，若無問題即可進行就地手動調試，通過電磁閥上手控旋鈕，調整氣缸的行程距離，調節傳感器的安裝位置及機械阻尼裝置的位置，通過氣管上的調節閥調節氣缸的運行速度和平穩性，以上條件均無問題即可進入初始狀態調節階段，初始狀態正常可進行觸摸屏、PLC、氣動機械手聯調階段，重點檢查通訊，通訊成功可進行單周期運行，運行中出現的硬件問題問題重新在手動調試中調整，編程問題需要在S7-200程序中完成，組態設置問題需要在組態軟件中完成，完成后重新下載程序和組態，直至單周期調整完成，單周期運行完成后可以自動運行[10]。

4.2應用

系統調試成功后可以進行聯機運行，聯機運行效果圖如圖4所示，系統運行在自動運行狀態，氣動機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械手運行的動作，系統運行平穩、準確和實時監控，且機械手搬運工件的數量實時顯示在觸摸屏界面，歷史報表可以查看機械手搬運工件的歷史數據；手動界面可進行軟件手動運行。應用系統的運行結果表明，PLC氣動機械手能夠很好完成搬運任務，滿足系統的控制要求，觸摸屏的應用增強了系統運行的可視性，二者的結合提高了搬運站的搬運效率，大大減輕了工人勞動強度，節省了生產成本。

圖4　系統運行效果圖

5結束語

本文以生產線搬運站機械手搬運為載體，介紹PLC和觸摸屏在搬運氣動機械手中的應用，給出了系統氣動原理圖，詳細介紹了系統硬件構成、PLC的I/O分配、觸摸屏與PLC的通訊及變量連接，設計了友好的人際界面。經過對氣動機械手系統調試與應用，系統滿足搬運站的控制要求，可靠性、穩定性好，為教學和實際生產提供一種參考。

[參考文獻]

[1] 齊繼陽, 吳倩, 何文燦. 基于PLC和觸摸屏的氣動機械手控制系統的設計[J]. 液壓與氣動, 2013 (4): 19-22.

[2] 王巍, 汪玉鳳. 基于PLC的氣動機械手研究[J]. 遼寧工程技術大學學報: 自然科學版, 2005 ,24(z1): 135-136.

[3] 李桂海.全氣動多自由度關節型機器人的研制[D].南京:南京理工大學,2005.

[4] 何常輝.自動化生產線安裝與調試[M].北京:機械工業出版社, 2011.

[5] 胡兵, 熊新榮, 袁勇, 等.基于Modbus總線的馬鈴薯儲藏庫溫濕度采集[J]. 湖北農業科學, 2014, 23(53): 4969-4972.

[6] 劉麗華. 基于PLC控制的教學型旋蓋氣動機械手設計[J]. 液壓與氣動, 2010 (3): 51-53.

[7] 宣自洋, 陳書宏, 常凱. 基于PLC控制的變速器搬運機械手系統設計[J]. 制造業自動化, 2015,37(2):6-8.

[8] 于殿勇, 劉興義. 基于PLC與觸摸屏控制的搬運機械手的應用[J]. 制造業自動化, 2009 ,31(8): 121-123.

[9] 胡兵, 劉文, 王小娟. 基于MCGS的電動大門監控系統設計與實現[J]. 化工自動化及儀表, 2013, 40(1): 59-62.

[10] 叢明, 劉冬, 杜宇, 等. PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運機械手中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2011 (9): 66-69.

(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：TH138;TG659

文獻標識碼：A

作者簡介：王小娟(1984 —)，女，湖北孝感人，新疆工程學院講師，碩士，研究方向為運籌學與控制論方面的科研和教學工作，(E-mail)2003042121@163.com。

*基金項目：2013年度新疆工程學院教改基金項目(2013gcxyj17kg1407)

收稿日期：2015-04-14；修回日期：2015-05-15

文章編號：1001-2265(2016)03-0058-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.016