基于FX3U-32MR型PLC的觸摸屏機械手控制系統設計*

江子敬，劉煥牢，蘇妙靜，周磊磊

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

在目前的工業生產線應用中，機械手越來越受到重視，因為它不同于人工，它能不停歇的一直運動，而且使用靈活方便，能完成各式各樣的任務，能把人從一些簡單重復或者相對復雜的工作中解放出來，更重要的是，機械手的存在，能提高產品的效率，省時又省事[1]。人的手臂能完成的一些動作，機械手基本上也都能完成甚至是更好的完成。它的動作過程，只需要按照規定編程，就能實現各種預定的動作。運用可編程控制器PLC進行程序的編制，其編程簡單，調試相對容易且方便安裝維護，目前已經得到廣泛的應用[2-3]。本設計最終選用三菱FX3U系列PLC，其性能相對較好，能更好地完成所需的控制任務，但是由于PLC可視化較弱，增加觸摸屏，可以結合兩者的優點，其操作簡單以及界面友好，并能減少PLC所需的I/O點數，增強了控制系統的整體效果[4-5]。

1 工作過程和控制要求

如圖1是機械手結構示意圖，其主要任務是將物件從工作臺A搬運至工作臺B，其中該機械手三軸傳動單元均由伺服電機來驅動，機械手的夾緊或放松由一個單線圈電磁閥控制，線圈通電時，機械手夾緊動作，斷電時松開動作，并在電機與傳動部件之間放置減速裝置，由兩個移動軸、一個轉動軸來完成末端執行器的空間運動[6]。設定原點位置為：機械手位于上升極限位，縮回極限位，右轉極限位且機械爪處于松開狀態。其工作過程為：

原點→伸出→下降→夾緊→上升→縮回→左轉→下降→松開→上升→右轉→原點

圖1 機械手結構示意圖

該機械手的工作方式有原點回歸、手動、單步、單周期和自動運行五種模式，對于每種模式都需要有詳細的設計，當工件在A位置時，機械手收到信號后，從原點位置開始按控制順序移動并夾取工件到B位置，為了能更好地對控制系統調試，檢查每個控制過程的狀態，其他幾個模式的設計也顯得很有必要。

2 硬件設計

2.1 機械手的硬件組成

系統的主要組成部分如下：運動控制模塊（控制器）、驅動模塊（伺服驅動器）、執行機構（機械部件）、傳感器模塊、觸摸屏等。本設計的搬運機械手的自由度有：上下運動單元（豎直軸）、旋轉運動單元（旋轉軸）、伸縮運動單元（水平軸），共同完成末端執行器的搬運作業。

2.2 PLC的選型及I/O口分配

通過控制的需要，輸入輸出點的個數以及分配都需要明確，在本設計中，由于應用了觸摸屏，故輸入點個數只有6個，輸出點個數是7個，特殊輔助繼電器有17個。在I/O接口的選擇上，要注意留有一定的余量，一般來說是不超過最大I/O點的85%。基于此考慮，故選擇了三菱FX3U系列的PLC，選擇的型號為：FX3U-32MR。此PLC能很好地滿足控制要求，且性能較好。機械手具體的輸入輸出分配與觸摸屏軟元件分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3 軟件設計

3.1 PLC的程序設計

根據系統的控制要求，采用模塊化編程方法來設計PLC程序，本控制系統中有五種工作方式，通過分析這五種工作方式的控制要求，就會發現單步、單周期和自動工作方式的控制過程是一樣的，都是系統的運行控制，只不過控制方式不同而已，故把這三種工作方式合在一起編程，那么實際上需要編程的是手動程序、原點回歸程序、自動程序以及用于他們之間切換的公用程序，多設計了緊急處理程序的編程，這可以讓系統安全性提高。本程序的設計采用PLC的狀態初始化指令IST和步進指令STL結合編程，使用IST指令必須要有滿足指令所要求的外部接線規定以及內部軟元件應用條件，這樣對于該指令才能完成所需的控制功能。而且由于使用了這個指令，可以節約設計的時間[7]。

3.2 各部分程序的編程

3.2.1 緊急停止處理程序

當系統執行到某狀態需要緊急停止或其他突發狀況需要及時停止時，可運用此程序進行緊急停止，不過也需要了解的是，這個緊急停止程序不是外部電源的停止，僅僅是內部斷開一切的輸出觸點，其具體程序如圖2所示。

圖2 緊急處理程序

3.2.2 公用程序

作用是手動程序、原點回歸程序以及自動程序三者之間的轉換，其具體程序如圖3所示。

圖3 公用程序

圖4 手動程序SFC

3.2.3 手動程序

用于控制機械手的各個執行器的單獨接通和斷開，如機械手的上升、下降、伸出、縮回、左轉、右轉、夾緊和放松。可試驗各個部分能否完成控制要求。在手動程序中，在相反的運動中設計了必要的互鎖，如上升與下降之間，伸出與縮回之間，左轉與右轉之間，以使控制過程更加安全可靠。其手動程序的順序功能圖SFC如圖4所示，其梯形圖如圖5所示。

圖5 手動程序梯形圖

圖6 原點回歸SFC

3.2.4 原點回歸程序

原點是機械手的初始機械位置，在本設計中，原點由上升、縮回和右轉三個限位開關表示。并且在回歸原點之后，需要發出信號，表示原點位置條件的滿足，并為進入自動程序段做好準備。原點回歸的順序功能圖如圖6所示，部分梯形圖如圖7所示。

圖7 原點回歸程序梯形圖（部分）

3.2.5 自動程序

自動程序包括了單步、單周期和自動控制程序，在運行自動程序時，機械手必須處于原點位置，若不在原點位置上，首先需要進行原點回歸。單步表示在控制過程中，每按動一次按鈕，控制就按順序向前運行一步，此方式可用以機械手的調試以及確定控制順序是否正常。單周期是指機械手僅運行一個工作周期，在單周期運動過程中，如果中途按下停止按鈕，機械手會立即停止工作，當重新啟動時，會繼續上次結束的地方開始運動。自動運行工作方式是按工作流程反復循環的工作，在此模式下，如果中途按下停止按鈕，則會繼續完成一個工作周期直到回到原點才結束[8-9]。自動程序的順序功能圖如圖8所示，部分梯形圖如圖9所示。

圖8 SFC

4 觸摸屏設計

圖9 自動程序（部分）

本次設計采用的是三菱觸摸屏的編程軟件GT3-De?signer3（簡稱GT3），它是由三菱電機公司開發的人機交互界面編程軟件。由于它使用便捷的特點和能夠直接與三菱PLC編程軟件模擬仿真的功能，所以選擇此款軟件作為開發軟件。可選擇GOT2000系列，型號為：GT2710-VTBA的觸摸屏，觸摸屏與FX3UPLC直接相連時，選擇RS-232端口進行通信。界面設計分為主界面和工作模式界面，即為開機的界面，包括有五種工作模式的選擇，其他界面分別為各個模式的具體操作界面。僅以開機界面和手動操作界面為例，其他界面類似，如圖10為主界面，圖11為手動操作界面。

圖10 主界面

圖11 手動界面

5 調試與應用

在開始實際的安裝運行之前，需要先通過模擬調試。調試的時候可以各個部分分開運行，也可以整體調試。在設備調試之前，要仔細檢查外部設備的連接是否完好，接線有沒有問題等，檢查完畢可以就地手動調試，再根據具體調試情況進行修改，經過控制機械手的實際運行情況，能滿足控制對象的要求。通過硬件設計和軟件設計之后，此程序能按預定控制需要正確的工作[10]。該搬運機械手的應用，提高了生產效率，節約了生產成本與時間成本。

6 結束語

機械手對于自動化生產線具有重要作用，而采用PLC與觸摸屏相結合進行控制，簡化了硬件的接線線路，且其性能較好，運行可靠，可以更快捷、準確地完成搬運任務。機械手程序運行穩定，采用了模塊化的思想，各種工作方式之間可自由切換，通過對機械手的軟硬件的設計與調試，實現了機械手的控制需求。