基于PLC的工業(yè)機(jī)械手控制設(shè)計(jì)與組態(tài)監(jiān)控

袁安富，蔣 浩

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，南京 210044）

0 引言

機(jī)械手是一種模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，按預(yù)定程序吸附、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可將工人從重復(fù)、繁重的勞動(dòng)解放出來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化[1]，并且能在有害環(huán)境下工作，保護(hù)人身安全，被廣泛地運(yùn)用在各個(gè)制造行業(yè)。可編程控制器（PLC）由于其高可靠性、編程方便以及安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，也被大規(guī)模地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域[2]。本文即是采用PLC控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 控制要求和運(yùn)動(dòng)過程

1.1 控制要求

本設(shè)計(jì)要求在在流水線、拋光機(jī)和裝箱機(jī)之間設(shè)置一個(gè)機(jī)械手，用以完成工件在不同工作區(qū)域間的位置轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體過程為：當(dāng)工件運(yùn)至流水線A后，機(jī)械手收到信號(hào)后移動(dòng)并吸附工件，而后將之放到拋光機(jī)B上進(jìn)行拋光，等待拋光完成之后，機(jī)械手吸附工件放到流水線C上。機(jī)械手需要完成橫軸移動(dòng)、縱軸移動(dòng)和豎軸移動(dòng)以及工件吸附的動(dòng)作。

1.2 驅(qū)動(dòng)方式

橫梁方向的移動(dòng)由電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，有三個(gè)工位，分別在SQ4、SQ5和SQ6處，總行程為1200MM；縱梁方向的移動(dòng)由電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，有兩個(gè)工位在SQ7和SQ10處，總行程為1000MM。由 PLC 控 制 四 個(gè) 接 觸 器 KM1、KM2、KM3、KM4的開合進(jìn)而控制電機(jī)M1和M2的正反轉(zhuǎn)。接觸器KM1得電，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手橫軸左移；KM2得電，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手橫軸右移；KM3得電，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手縱軸前進(jìn)；KM4得電，電機(jī)M2反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手縱軸后退。

豎梁方向的移動(dòng)由氣缸G1驅(qū)動(dòng)，有兩個(gè)工位，分別在和SQ12處，總移動(dòng)行程為300MM。氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件、氣動(dòng)系統(tǒng)控制閥、伸縮氣缸等部件組成，由空壓機(jī)獲得氣源，經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)件，得到清潔、干燥的空氣，經(jīng)過電磁閥實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換[3]。由PLC控制電磁閥YV5、YV6來控制氣缸，實(shí)現(xiàn)豎梁的上升和下降。YV5得電，氣缸驅(qū)動(dòng)豎梁上升；YV6得電，氣缸驅(qū)動(dòng)豎梁下降。

機(jī)械手的吸附部件也采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手爪有兩個(gè)狀態(tài)吸附和松開，由氣缸G2驅(qū)動(dòng)。YV7得電，氣缸驅(qū)動(dòng)真空吸盤實(shí)現(xiàn)吸料；失電，則機(jī)械手的真空吸盤松開。機(jī)械手如圖1所示。

1.3 控制過程

圖1 機(jī)械手示意圖

具體的控制過程為：工件到達(dá)A，觸碰開關(guān)SB0，經(jīng)程序控制使得下降控制閥電磁閥YV6得電，空氣經(jīng)電磁換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入G1上缸體，氣缸驅(qū)動(dòng)豎軸下降；下降至終點(diǎn)觸碰開關(guān)SQ12使得吸附電磁閥YV7得電，空氣經(jīng)電磁換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入G2下缸體，機(jī)械手吸盤吸附工件；延時(shí)5S后保持吸附狀態(tài)上升；上升至終點(diǎn)觸碰限位開關(guān)SQ11，左移接觸器KM1得電，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)橫軸左移；至B處觸碰開關(guān)SQ5，前進(jìn)接觸器KM3得電，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手縱軸前進(jìn)；前進(jìn)至觸碰開關(guān)SQ10停止，此時(shí)下降電磁閥YV6得電，空氣經(jīng)電磁換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入上缸體，氣缸驅(qū)動(dòng)豎軸下降；下降至觸碰開關(guān)SQ12停止，吸附電磁閥YV7失電，空氣經(jīng)電磁換向閥和節(jié)流閥進(jìn)入G2上缸體，機(jī)械手松開釋放工件；豎軸上升至開關(guān)SQ11停止，此時(shí)工件進(jìn)行拋光，等待20S，下降電磁閥YV6得電，豎軸下降至開關(guān)SQ12處停止，吸附電磁閥YV7得電，手爪吸附工件，等待5S上升；上升至終點(diǎn)觸碰開關(guān)SQ11停止，左移接觸器KM1得電，橫軸移動(dòng)至觸碰開關(guān)SQ6停止，下降電磁閥YV6得電，豎軸下降；到觸碰行程開關(guān)SQ12，吸附電磁閥YV7失電，手爪松開，延時(shí)5S后上升電磁閥YV5得電，豎軸上升至終點(diǎn)觸碰開關(guān)SQ11，右移接觸器KM2得電橫軸右移至原點(diǎn)觸碰開關(guān)SQ4停止。上述過程為一個(gè)循環(huán)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/O口分配及PLC選型

按照機(jī)械手的控制要求，系統(tǒng)需要19個(gè)輸入點(diǎn)，具體分配為：工件到位開關(guān)SB0，停止按鈕SB1；自動(dòng)方式開關(guān)SQ2；手動(dòng)方式開關(guān)SQ3；橫軸限位右限位開關(guān)SQ4、中限位開關(guān)SQ5、左限位開關(guān)SQ6；縱軸后限位開關(guān)SQ7、前限位開關(guān)SQ10；豎軸上限位開關(guān)SQ11、下限位開關(guān)SQ12；手動(dòng)控制按鈕有左移按鈕SB13、右移按鈕SB14、前進(jìn)按鈕SB15、后退按鈕S16、上升按鈕SB17、下降按鈕SB20，夾緊按鈕SB21，松開按鈕SB22。

需要輸出點(diǎn)8個(gè)，具體分配為：工件到位指示燈一個(gè)，控制機(jī)械手橫軸左行的KM1和右行的KM2，控制縱軸前進(jìn)的KM3和后退的KM4，控制豎軸上升的KV5和下降的KV6以及控制吸料的KV7。

根據(jù)上述輸入輸出情況，決定選用三菱公司的FX2N-48MR型PLC作為控制器。該型PLC分別擁有24個(gè)輸入和24個(gè)輸出接口，性能穩(wěn)定，能夠滿足控制要求。

2.2 控制面板及電路設(shè)計(jì)

機(jī)械手需要手動(dòng)進(jìn)行一些操作，如啟動(dòng)、停止等操作以及手動(dòng)控制，因此需要一個(gè)操作面板。操作面板設(shè)上有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、自動(dòng)方式開關(guān)、手動(dòng)方式開關(guān)以及手動(dòng)控制的各個(gè)按鈕。另外，面板內(nèi)還需要一個(gè)轉(zhuǎn)換電源模塊，用以將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為24V的直流電壓，作為PLC輸入端的驅(qū)動(dòng)電壓。設(shè)計(jì)好控制電路，按照分配好的PLC輸入和輸出接點(diǎn)，將各個(gè)開關(guān)和按鈕接入PLC輸入端，電磁閥和接觸器接到PLC的輸出端，以及機(jī)械手的各種驅(qū)動(dòng)器接入控制電路。具體的接線圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，故將整個(gè)程序分為公用程序、手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序三個(gè)部分。公用程序是在兩種工作方式下都需要運(yùn)行的，主要用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序的相互切換。P0、P1為指針，使用條件跳轉(zhuǎn)CJ指令使手動(dòng)程序和自動(dòng)程序不會(huì)被同時(shí)執(zhí)行[4]。選擇手動(dòng)操作方式時(shí)，手動(dòng)控制按鈕SQ3接通，則其常閉觸點(diǎn)斷開，程序不跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行手動(dòng)程序，并由于SQ2按鈕的常閉觸點(diǎn)閉合，則跳過自動(dòng)操作程序；若選擇自動(dòng)操作程序，SQ3的常閉觸點(diǎn)接通，SQ2的常閉觸點(diǎn)斷開，跳過手動(dòng)程序而執(zhí)行自動(dòng)程序。程序跳轉(zhuǎn)示意如圖3所示。

3.1 手動(dòng)操作程序

圖2 PLC外部接線圖

圖3 程序跳轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，由各個(gè)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕來控制機(jī)械手的相應(yīng)動(dòng)作[5]：左移、右移、前進(jìn)、后退、上升、下降、夾緊和放松。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在手動(dòng)程序中設(shè)置了必要的軟件聯(lián)鎖，以避免誤動(dòng)作手動(dòng)。如機(jī)械手只有在最高位置才能左右和前后移動(dòng)，只有當(dāng)SQ11置位時(shí)才允許橫軸和縱軸移動(dòng)，因此在驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1、M2、M3、M4時(shí)，加入了豎梁的上限位開關(guān)X11的常開觸點(diǎn)作為聯(lián)鎖，防止機(jī)械手在較低位置時(shí)移動(dòng)與別的物體發(fā)生碰撞。機(jī)械手的吸附放松動(dòng)作由一個(gè)電磁閥控制，所以用SET使Y0置位（吸附），用RST使Y0復(fù)位（放松）。手動(dòng)程序如圖4所示。

3.2 自動(dòng)操作程序

根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作過程，編制出其自動(dòng)操作的程序，采用順序設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)。在此我們用順序功能圖來表示程序流程，自動(dòng)控制的SFC圖如圖5所示。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用組態(tài)王作為上位機(jī)的監(jiān)控軟件。主要需要的工作是建立通信連接，定義數(shù)據(jù)變量和構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，機(jī)械手畫面的設(shè)計(jì)以及建立動(dòng)畫連接等工作，最后運(yùn)行和調(diào)試。

為了建立PLC與組態(tài)王的通信連接，可以在PLC編程軟件的菜單“PLC/串行口設(shè)置”設(shè)置通信地址和通信參數(shù)，也可以在軟件中用編程來實(shí)現(xiàn)。具體設(shè)置為：波特率為9600Bbit/s，數(shù)據(jù)位設(shè)為7位，1位起始位，1位停止位，偶校驗(yàn)[6]。

圖4 手動(dòng)控制程序

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)軟件的核心部分，在組態(tài)中定義的變量要與PLC的變量嚴(yán)格一致，并且有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。只有如此，當(dāng)PLC中的變量值發(fā)生變化時(shí)，組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量值隨之改變，通過對(duì)應(yīng)的設(shè)置，才能實(shí)現(xiàn)畫面與實(shí)際變化的一致。當(dāng)數(shù)據(jù)變量的實(shí)時(shí)值改變時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)就反映在畫面的圖形上，通過圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果表現(xiàn)出來。

圖5 自動(dòng)程序的SFC圖

按照控制要求設(shè)計(jì)出機(jī)械手的畫面模型。畫面設(shè)計(jì)應(yīng)該和實(shí)物盡量相似。由系統(tǒng)搭建而成的圖形畫面在建立動(dòng)畫連接前是靜止不動(dòng)的，需要把畫面上的圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)變量定義動(dòng)畫連接關(guān)系，進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)來表現(xiàn)設(shè)備對(duì)象的狀態(tài)變化[7]。

5 結(jié)束語

根據(jù)行程的不同，機(jī)械手采用電機(jī)和氣缸兩種驅(qū)動(dòng)方式，更好地實(shí)現(xiàn)了控制效果；對(duì)于控制程序，采用模塊化思想，運(yùn)用跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)靈活控制。三菱PLC結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，控制效果良好，易于模塊化。當(dāng)機(jī)械手控制要求改變時(shí)，改動(dòng)相應(yīng)程序，并作簡(jiǎn)單的硬件修改即可。采用安裝有組態(tài)王軟件的計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，畫面形象直觀，工作人員不在現(xiàn)場(chǎng)也可以觀測(cè)到機(jī)械手的運(yùn)行情況。

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