基于PLC的機(jī)械手控制項(xiàng)目教學(xué)研究

何惠湘

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226010)

基于PLC的機(jī)械手控制項(xiàng)目教學(xué)研究

何惠湘

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226010)

文章對(duì)基于PLC的機(jī)械手控制項(xiàng)目教學(xué)進(jìn)行研究,機(jī)械手控制是"現(xiàn)代電氣控制技術(shù)"課程中的一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目,通過(guò)此項(xiàng)目的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)維修及機(jī)電設(shè)備電氣設(shè)計(jì)等崗位群的職業(yè)能力.在教學(xué)過(guò)程中,以學(xué)生為主體,以工作過(guò)程為導(dǎo)向,實(shí)施教、學(xué)、做一體化的教學(xué)模式,使學(xué)生掌握狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及步進(jìn)順控指令的應(yīng)用方法.

PLC;機(jī)械手;項(xiàng)目教學(xué)

1 機(jī)械手概述

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高,企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有許多重體力以及重復(fù)性較強(qiáng)的工作逐漸被機(jī)器代替,既可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,也可以大大提高生產(chǎn)效率[1].機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,也是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人,它可代替人的繁重勞動(dòng),以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平,尤其是在有毒和放射性等惡劣的環(huán)境下操作,對(duì)保護(hù)人身安全意義重大.因此,機(jī)械手已受到越來(lái)越多行業(yè)的重視,并且被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén),在生產(chǎn)企業(yè)中更是被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中.

機(jī)械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能,在生產(chǎn)上用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置[2].機(jī)械手的特點(diǎn)是可以通過(guò)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)編程來(lái)完成各種預(yù)期的操作,它的構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)械手機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn).

2 項(xiàng)目任務(wù)

為了配合教學(xué)的需要,培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)維修及機(jī)電設(shè)備電氣設(shè)計(jì)等崗位群的職業(yè)能力,更好地掌握機(jī)械手控制在現(xiàn)代電氣控制上的應(yīng)用,按照教學(xué)任務(wù)的要求,課程設(shè)置了一個(gè)機(jī)械手控制的教學(xué)項(xiàng)目.機(jī)械手搬運(yùn)工件示意如圖1所示,機(jī)械手將工件從左工作臺(tái)搬運(yùn)至右工作臺(tái).整個(gè)機(jī)械手能完成4個(gè)自由度的動(dòng)作,即手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下、手爪緊松.

當(dāng)機(jī)械手爪處于初始狀態(tài)時(shí),即松開(kāi)到位、左轉(zhuǎn)到位、縮回到位及上升到位這4個(gè)條件都滿(mǎn)足時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,由PLC驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂伸出手爪,下降并夾緊抓取工件,然后手臂上升縮回,向右旋轉(zhuǎn)到右限位,之后手臂伸出,手爪下降松開(kāi),將工件放到右工作臺(tái),最后手臂上升縮回,向左旋轉(zhuǎn)到左限位,完成一個(gè)動(dòng)作周期.就這樣,機(jī)械手周而復(fù)始,不斷循環(huán)動(dòng)作,把工件從左工作臺(tái)送到右工作臺(tái)上.當(dāng)按下停止按鈕時(shí),機(jī)械手繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)完整的動(dòng)作周期后,回到原來(lái)位置停止.

在這個(gè)項(xiàng)目中,要求學(xué)生會(huì)運(yùn)用步進(jìn)順控指令來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的梯形圖程序,并且能夠熟練運(yùn)用編程軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試.

圖1 機(jī)械手搬運(yùn)工件示意

3 任務(wù)實(shí)施

根據(jù)機(jī)械手控制的項(xiàng)目任務(wù)和要求,學(xué)生分成小組,擬定任務(wù)實(shí)施的步驟.

3.1 畫(huà)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在機(jī)械控制中,許多設(shè)備的動(dòng)作都有一定的順序,經(jīng)常需要順序控制,如流水線(xiàn)、物件的搬運(yùn)等,都是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序進(jìn)行的.這些動(dòng)作的控制,在輸入信號(hào)的作用下,根據(jù)狀態(tài)和時(shí)間的順序,使生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)而有秩序地進(jìn)行操作.在PLC的編程軟件中,有專(zhuān)門(mén)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和步進(jìn)順控指令.

機(jī)械手按照一定的順序控制進(jìn)行工作,要求學(xué)生按其動(dòng)作過(guò)程畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(見(jiàn)圖2).其中,M8002是PLC開(kāi)機(jī)初始脈沖,S0是初始狀態(tài),S20~S31是一般狀態(tài).由圖可知,當(dāng)PLC開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí),機(jī)械手進(jìn)入初始狀態(tài),即復(fù)位狀態(tài):機(jī)械手松開(kāi)、上升、縮回、左轉(zhuǎn);此時(shí),按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)械手按照順序,依次執(zhí)行如下動(dòng)作:伸出、下降、夾緊、上升、縮回、右轉(zhuǎn)、伸出、下降、松開(kāi)、上升、縮回、左轉(zhuǎn),完成一個(gè)動(dòng)作周期.之后,周而復(fù)始,不斷循環(huán)動(dòng)作,直至按下停止按鈕.

圖2 機(jī)械手控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移

3.2 確定I/O分配表

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的控制要求,確定PLC的I/O分配表,如表1所示.

表1 PLC的I/O分配表

3.3 繪制PLC外部接線(xiàn)圖

根據(jù)表1的PLC的I/O分配表可知,機(jī)械手的控制系統(tǒng)總共需要9個(gè)輸入端口和7個(gè)輸出端口,三菱FX2N系列的FX2N-32MR型PLC有16個(gè)輸入端口和16個(gè)輸出端口,完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)控制I/O點(diǎn)數(shù)的需要,故選用此型號(hào)的PLC.要求學(xué)生畫(huà)出PLC的外部接線(xiàn)圖,如圖3所示,并分析電路的工作原理.

圖3 PLC外部接線(xiàn)圖

3.4 接線(xiàn)

首先將PLC的電源斷開(kāi),然后按照PLC外部接線(xiàn)圖來(lái)完成接線(xiàn).接線(xiàn)要求牢固、整齊、清楚、安全和可靠,并且認(rèn)真檢查接線(xiàn)牢靠無(wú)松動(dòng),確保接線(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤后再接通電源.

3.5 設(shè)計(jì)控制程序

學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)的要求,按照?qǐng)D2中機(jī)械手控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)梯形圖程序.

3.6 程序調(diào)試

學(xué)生在編寫(xiě)好機(jī)械手的控制程序后,必須要將程序運(yùn)行和調(diào)試,步驟如下.

(1)將程序編譯檢查正確后,下載到PLC.

(2)打開(kāi)氣泵的電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行供氣,調(diào)節(jié)氣路,觀(guān)察氣路的方向及氣壓的大小是否符合要求,倘若不正確,調(diào)節(jié)節(jié)流閥和壓力控制閥來(lái)調(diào)節(jié)氣壓的大小.如果是方向不對(duì),可以對(duì)調(diào)電磁閥線(xiàn)圈的接線(xiàn)端子或者對(duì)調(diào)氣管.

(3)運(yùn)行程序,進(jìn)行機(jī)械手控制的總體調(diào)試:按下啟動(dòng)按鈕,觀(guān)察機(jī)械手的動(dòng)作是否按照任務(wù)要求來(lái)順序動(dòng)作,即以狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的順序動(dòng)作.如果動(dòng)作有誤,則根據(jù)監(jiān)控進(jìn)行程序調(diào)試,直至完全正確,達(dá)到控制要求.最后按下停止按鈕,機(jī)械手繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)完整的動(dòng)作周期后,回到原點(diǎn)位置,完成動(dòng)作的調(diào)試.

(4)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),把調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法記錄下來(lái).

3.7 進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)價(jià)

學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械手控制的項(xiàng)目之后,首先各小組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行自我評(píng)價(jià),然后教師對(duì)小組項(xiàng)目的實(shí)施情況進(jìn)行驗(yàn)收和評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.最后,教師對(duì)每個(gè)小組的項(xiàng)目完成結(jié)果進(jìn)行評(píng)分.

表2 項(xiàng)目評(píng)價(jià)表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)械手控制的項(xiàng)目教學(xué),使學(xué)生熟悉了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與功能,掌握了氣動(dòng)技術(shù)和傳感器技術(shù)及PLC技術(shù)的綜合應(yīng)用,對(duì)三菱PLC的編程指令能夠熟練應(yīng)用,會(huì)畫(huà)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和掌握步進(jìn)順控指令的使用.這種以學(xué)生為主體,以工作過(guò)程為導(dǎo)向,實(shí)施教、學(xué)、做一體化的項(xiàng)目教學(xué)模式,培養(yǎng)了學(xué)生在機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)維修及機(jī)電設(shè)備電氣設(shè)計(jì)等崗位群的職業(yè)能力,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的能力,培養(yǎng)了團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神,達(dá)到了很好的教學(xué)效果.

[1]何振俊.機(jī)電一體化系統(tǒng)項(xiàng)目教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[2]曹京生,夏長(zhǎng)鳳.現(xiàn)代電氣控制技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

Study on the project teaching of manipulator control based on PLC

He Huixiang
(Nantong Shipping College, Nantong 226010, China)

This paper studies the project teaching of manipulator based on PLC. The manipulator control is a teaching project in the course of "Modern Electrical Control Technology". Through the learning of this project, we can cultivate the professional ability of students in the electrical maintenance of electromechanical equipment and the electrical design of electromechanical equipment. In the teaching process, the students as the main body, the work process-oriented, the implement the teaching mode of integration of teaching,learning and doing, so that students master the state transition diagram and step-by-step control of the application method.

programmable logic controller; manipulator; project teaching

何惠湘(1972- ),女,湖南常寧人,副教授,碩士;研究方向:控制工程.