基于PLC的教學(xué)型氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭祥雨+王環(huán)環(huán)+張存良+邢錦鵬+王克

摘 要：根據(jù)教學(xué)需求，為提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力，設(shè)計(jì)了基于PLC的教學(xué)型氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)。首先明確氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作要求及工作循環(huán)，然后進(jìn)行PLC輸入/輸出端子的地址分配，最后針對(duì)不同工作方式在編程軟件中設(shè)計(jì)能完成規(guī)定功能的程序。結(jié)果表明，基于PLC的控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、編程直觀簡(jiǎn)單、可靠性高且易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，故PLC工控機(jī)必能在“中國(guó)制造2025”制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施中得到廣泛應(yīng)用與大力發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

機(jī)械手作為一種控制對(duì)象，可以替代工人完成多種工作。現(xiàn)代化的生產(chǎn)車間，多配有機(jī)械手。它可以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。教學(xué)型機(jī)械手是針對(duì)教學(xué)所需研制的典型機(jī)器人設(shè)備，有兩個(gè)方面的要求。首先在硬件方面要求能讓學(xué)生自己組裝該設(shè)備，能正確連接電路與氣路，所涉及的知識(shí)面要適合工科學(xué)生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學(xué)習(xí)更容易接受，學(xué)后能按照要求編寫(xiě)控制程序。本文在提高教學(xué)效果為目的的前提下，以能夠?qū)崿F(xiàn)一定工序的搬運(yùn)機(jī)械手模型為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。

1.機(jī)械手工作過(guò)程

機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖1所示，用來(lái)將工件從一個(gè)工作臺(tái)搬到另一個(gè)工作臺(tái)。

機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，根據(jù)使用場(chǎng)合不同控制方式一般分為手動(dòng)操作與自動(dòng)操作兩種。手動(dòng)操作主要為安裝調(diào)試或出現(xiàn)故障需要維修時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行動(dòng)作單獨(dú)用按鈕進(jìn)行操作，通常是設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的控制方案。而自動(dòng)操作是以PLC控制器為基體，按預(yù)先編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)操作又分為連續(xù)自動(dòng)操作和單周期自動(dòng)操作。以單周期自動(dòng)操作為例，機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)依次是：從原點(diǎn)前伸——下降——夾緊——上升——右轉(zhuǎn)——下降——放松——上升——左轉(zhuǎn)——縮回至原點(diǎn)10個(gè)動(dòng)作。 其中上升、下降、前伸、縮回、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等8個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作末都會(huì)觸發(fā)各自的限位開(kāi)關(guān)，由限位開(kāi)關(guān)去控制電磁閥通斷以順利執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。而放松和夾緊兩個(gè)動(dòng)作則是通過(guò)設(shè)置時(shí)間延時(shí)實(shí)現(xiàn)和下一個(gè)動(dòng)作的順利銜接。其具體動(dòng)作過(guò)程如圖2所示。

2.輸入輸出端子點(diǎn)數(shù)

機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的整體式S7-200CPU226式PLC。動(dòng)作②、④和動(dòng)作⑥、⑧不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，故只占用可編程控制器的兩個(gè)輸入點(diǎn)而不是4個(gè)輸入點(diǎn)。在動(dòng)作②執(zhí)行前需先判斷左工作臺(tái)上有無(wú)工件，故用于檢測(cè)有無(wú)工件的光電開(kāi)關(guān)需占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。機(jī)械手左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的左右限位開(kāi)關(guān)各占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。啟動(dòng)與停止按鈕各占用PLC一個(gè)輸入點(diǎn)。另外，因?yàn)榇嬖?種工作方式，故還需在PLC中配置3個(gè)用于工作方式選擇的輸入點(diǎn)。在手動(dòng)控制方式中，因?yàn)榇嬖?種不同的加載方式——前與后、左與右、上與下、夾與松，故需在PLC中配置4個(gè)用于加載方式選擇的輸入點(diǎn)。而控制器需要輸出用于控制伸出、縮回、下降、上升、夾緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原點(diǎn)指示燈狀態(tài)的指令，故此控制系統(tǒng)共使用了14個(gè)輸入量和8個(gè)輸出量。

3.整體程序設(shè)計(jì)

機(jī)械手整體程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。若選擇手動(dòng)操作工作方式，I0.7斷開(kāi)，接著執(zhí)行手動(dòng)操作程序。手動(dòng)操作程序可以獨(dú)立于自動(dòng)操作程序，可以另行設(shè)計(jì)。在單周期工作方式和連續(xù)操作方式下，可以執(zhí)行自動(dòng)操作程序。在使用自動(dòng)操作方式時(shí)，中間繼電器M1.0接通。手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式，都用同樣的輸出繼電器。

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)將各I/O端子和實(shí)際控制系統(tǒng)的按鈕、所需控制設(shè)備正確連接，完成硬件安裝。機(jī)械手PLC可編程控制器編程軟件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整體程序和各個(gè)子程序在編程軟件中編輯，機(jī)械手正常工作時(shí)程序存在存儲(chǔ)卡中，若需要修改程序，先將PLC設(shè)定在STOP狀態(tài)，運(yùn)行編程軟件，打開(kāi)機(jī)械手的控制程序，即可在線調(diào)試，也可用編程器進(jìn)行模擬，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀。

結(jié)語(yǔ)

PLC是面向用戶專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，可以使用戶獲得高性能、高可靠性的同時(shí)享受高質(zhì)量和低成本。本文通過(guò)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用場(chǎng)合及工作過(guò)程的分析，總結(jié)出使用PLC完成系統(tǒng)控制任務(wù)的流程。即首先明確機(jī)械手的動(dòng)作要求及工作循環(huán)，然后針對(duì)其不同的操作方式進(jìn)行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，最后針對(duì)其不同的工作方式在編程軟件中設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)具體功能的整體程序和各子程序。詳盡的設(shè)計(jì)過(guò)程可為從事工業(yè)控制的工程人員提供一定的參考。

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