基于觸摸屏的機械手虛擬設計

王二敏　馬前帥

摘要：文章介紹了機械手虛擬裝置的整體結構設計和實現，完成了機械手電氣氣動系統設計、PLC控制系統設計、觸摸屏設計和通信設計。機械手虛擬裝置的設計融入了CDIO工程教育理念、動手動腦全面發展的學習概念。機械手虛擬裝置滿足了機電氣人才培養的需要，已廣泛推廣于各高等院校，對于在校學生、教師以及工程技術人員研究機器人技術有極大的促進作用。

關鍵詞：機械手；電氣氣動；PLC；觸摸屏；通信

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0156-02

0 引言

隨著科技的不斷發展，氣動技術已被應用在社會的方方面面，如醫療領域、工業自動化領域、機器人仿生領域等。目前，電氣氣動控制系統在工業自動化領域占主要地位，其中，機械手的應用最為廣泛，如在可樂飲料生產線中，利用機械手對飲料瓶的位置調整；在物流生產線中，利用機械手對物件進行碼垛等。因此，以機械手為例研究電氣氣動技術具有很高的研究價值。現今，中國職業技術教育正在蓬勃發展，學校志在培育鑄就適應中國制造的合格人才。推進產教融合模式，促進科技創新型人才的培養，研發的設備要求在設計時融入CDIO工程教育理念、動手動腦全面發展的學習概念，觸摸屏的可視化界面可以滿足這一要求。觸摸屏是一種直觀、簡單的人機交互方式，在工業控制系統中廣泛應用。本文介紹了基于觸摸屏的機械手虛擬設計結構和控制系統的實現，觸摸屏畫面模擬實際的工程項目案例，用PLC程序控制技術實現機械手自動搬運物料的功能。

1 總體方案研究

1.1 整體方案的設計

基于社會的發展對創新性人才的需求，對本文所設計的虛擬機械手裝置提出幾點要求：（1）綜合性強。主系統為電氣氣動系統，控制系統為PLC控制和傳感器技術相結合，觸摸屏界面可以再現模擬工程案例；（2）功能性強。為了培養學生的人際交往能力、項目開發能力和工程創新能力，為實現小組探究式學習提供了硬件條件；（3）操作性強。觸摸屏界面采用圖形化語言設計，簡單、明了。

結合上述要求，制定了實現機械手虛擬設計的整體設計方案[1]，如圖1所示。該裝置由氣動控制、電氣控制、觸摸屏、通信等模塊單元組合而成。學員可通過操作觸摸屏上的按鈕，選擇要設計的工程項目案例，然后，進行氣動控制回路的設計與搭建，通過PLC控制器實現數據交互功能。考慮到提高場地的利用率，此裝置設計為箱體結構。

1.2 參數的確定

為了滿足上述需求，以及考慮到元件的使用壽命，得到了該裝置的技術參數。（1）裝置箱體尺寸。長40cm，寬30cm，高10cm；（2）裝置重量。<50kg；（3）氣源壓力和流量。P=0.7MPa，Q=24.5L/min；（4）電源。～220V/+24V。

2 機械結構的整體設計

基于觸摸屏的機械手虛擬裝置設計為箱體結構，在箱體左側留有～220V電源接口和以太網通信口。具體的整體結構設計如圖2所示。

2.1 機械結構中電氣氣動主系統的設計

（1）氣動系統組成[2]。動力元件、控制元件、執行元件和輔助裝置等四部分組成。動力元件包括空氣壓縮機和儲氣罐，用來將機械能轉化為氣體的壓力能。控制元件包括各種閥，用來控制和調節氣體的壓力、流量和方向。執行元件包括氣缸和馬達，用來將氣體的壓力能轉化為機械能。輔助元件包括連接氣管、管接頭和調理裝置等。（2）機械手氣動部分設計[3]。氣動元件有：過濾調壓組件（排水過濾除去壓縮氣體中的灰塵、管垢、銹沫、冷凝物；減壓穩壓補償壓力浮動）、分氣塊（8個獨立通道供給系統氣源）、電磁換向閥（提供的電壓信號為+24V）、單向節流閥（排氣節流）和氣缸（執行動作輸出）等。（3）氣動元件安裝。根據氣動元件的安裝方式，確定了氣動訓練裝置中氣動控制系統的機械結構，即采用開槽9mm的鋁合金底板。具體電氣氣動控制機械結構圖如圖3所示。

2.2 機械結構中PLC控制系統設計

機械結構中PLC控制系統由顯示單元（觸摸屏）、PLC300、檢測單元（傳感器）和電源（～220V和+24V）四部分組成。此外裝置中設有I/O端口，用于完成觸摸屏與PLC之間的數據交換功能。

3 結語

利用PLC技術和觸摸屏的可視化界面可以形象生動的再現工程應用案例。物流自動搬運機械手工程案例，運用了PLC技術、氣動技術、傳感器技術、人機交互技術和通信技術，是一項多技術的綜合應用。此外，該裝置具有結構簡單、體積小、靈活性大等優點，可應用于教學、科研、技能鑒定等多方面。

參考文獻

[1] 李允文.工業機械手的設計[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2] 許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 何玉輝.生產線搬運機械手控制系統研究[D].西南石油大學，2016.

Abstract：This paper introduces the overall structure design and realization of the manipulator virtual device， and completes the design of pneumatic system， PLC control system design， touch screen design and communication design. The design of manipulator virtual device incorporates the concept of education in CDIO engineering and the learning concept of comprehensive development. Virtual manipulator device meets the need of electrical personnel training， has been widely promotion in various colleges and universities， for students， teachers， and engineering and technical personnel study robot technology has a great role in promoting.

Key words：manipulator；Electrical pneumatic； PLC； touch screen； communication