一種基于PLC的機械手控制系統設計

溫毅 李哲宇 康文凱 李龍 張铻

摘 要

在密閉箱室內進行實驗或生產時，有時需要對大質量或有害物質進行轉運。在對轉運過程進行充分功能分析后，提出了一種基于PLC的機械手控制系統設計方案。針對設計方案，進行了控制系統硬件與軟件的綜合設計，系統以PLC作為控制和通訊核心，在觸摸屏上操作進行控制。機械手在步進電機的控制下完成沿X軸、Y軸、Z軸方向的運動，在氣缸的控制下完成抓取和放松運動。該系統的應用能夠有效減少有害物質對操作人員的傷害，并使轉用過程更加高效安全。

關鍵詞

密封箱式;機械手;PLC;控制系統

中圖分類號： TG155.92 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.034

Abstract

When conducting experiments or production in closed chamber，sometimes it is necessary to transports large or harmful substances.After fully functional analysis of the transshipment process，a design scheme of manipulator control system based on PLC is proposed.According to the design scheme， the hardware and software of the control system are designed synthetically. The system takes PLC as the control and communication core，and operates on the touch screen.Under the control of the stepping motor，the manipulator moves along the x-axis，Y-axis and z-axis，and under the control of the cylinder，the manipulator grabs and relaxes.The application of the system can effectively reduce the harm of toxic substances to operators，and make the transfer process more efficient and safe.

Key Words

Sealed box;Manipulator;PLC;Control system

0 引言

密封箱式在科研和生產中具有廣泛的應用。通常在密封箱式中進行對小質量部件的操作，此時操作人員只需手工即可完成操作。但有時需要在密封箱式中進行對含有有害物質或質量較大的部件的轉運。此時如果使用純人工操作，存在效率低、風險高的缺點。采用機械手則具有效率高、安全性高的優點。

PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動控制裝置[1]。本文以PLC為控制、通訊核心，觸摸屏、按鈕開關、傳感器為輸入單元，電機模組、氣動模組為執行單元實現設計功能。該自動控制系統實現了機械手的轉運功能。

1 控制系統的方案設計

1.1 功能分析

本研究設計的機械手控制系統，包含控制系統的基本功能和專用功能。基本功能包括：開關、急停、初始化、運行指示、通電指示、故障指示;專用功能包括：抓取和轉運功能。

1）基本功能

開關：按下開關按鈕，設備通電，通電指示燈顯示紅色。

急停：按下急停按鈕，設備停止所有動作，故障指示燈顯示黃色。

初始化：按下初始化按鈕，電機模組回原點，氣動模組回原點。

2）轉運功能

轉運功能：通過機械手，實現對被操作部件的轉運。

抓取功能：通過機械手，實現對被操作部件的抓取。

1.2 控制系統方案設計

如圖1，整個機械手由X向模組、Y向模組、Z向模組及夾持機構組成。整體安裝于密封箱室內。機械手沿X、Y、Z方向的運動，分別由X向步進電機模組、Y向步進電機模組、Z向步進電機模組實現[2-3]。到達指定位置后，可通過夾持機構實現對操作物的抓取和放置。夾持機構由電磁閥控制氣缸的伸縮完成夾持與放置。

2 控制系統硬件設計

機械手控制系統以PLC為控制、通訊核心，按鈕開關、傳感器連接到PLC輸入接口，電機驅動器、電磁閥、狀態指示燈連接到PLC輸出端口。觸摸屏通過RS232接口實現與PLC的通信，本控制系統通過觸摸屏控制機械手的運動。該系統硬件控制框圖如圖2所示[4]。

采用臺達DVP60ES2系列PLC作為控制核心，I/O端口分配如表1所示。

3 控制系統軟件設計

3.1 觸摸屏程序設計

本控制系統由初始化界面、操作界面及速度調整界面組成。機械手操作界面由操作按鈕，狀態指示燈及頁面轉換按鈕組成[5]。圖3為機械手操作界面，最上方為控制機械手分別沿X軸、Y軸、Z軸連續運動的按鈕，沿X軸、Y軸、Z軸運動的速度可以通過速度調整界面進行調節。左下方為，機械手沿X軸、Y軸、Z軸點動調整的按鈕，通過6個方向的按鈕，可控制機械手沿六個方向進行點動。中間為裝夾裝置控制按鈕和狀態指示燈。通過抓緊和放松按鈕可以控制機械手的抓緊和放松。狀態指示燈顯示機械手的運行狀態。右下方為實現機械手回零、初始化、停止及切換到設置界面的按鈕。

3.2 PLC程序設計

3.2.1 PLC程序流程圖（見圖5）

3.2.2 PLC程序設計

本系統采用臺達WPLSof軟件編寫程序。沿X軸左工進程序如圖6，沿X軸左點動如圖7，裝夾程序如圖8。

4 結論

機械手在工業生產中具有廣泛的應用。本文針對在密封箱室的操作，設計了一種輔助轉運的機械手控制系統。在對機械手功能分析的基礎上，設計了機械手控制系統。該機械手控制系統能夠實現機械手沿X軸、Y軸、Z軸方向的工進和點動，并能夠對工進速度進行調整，并實現了機械手的抓緊和放松功能。機械手控制系統以PLC為控制和通訊核心，以觸摸屏為控制終端對機械手進行控制。該系統投入實際生產中，能夠在一定程度上改善工作環境，提高工作效率，降低操作危險系數。

參考文獻

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[2]郭琳娜，鄭天池.基于PLC的L形鎳片自動上料機的設計[J].現代制造工程， 2017（11）：121-125.

[3]盧海龍，楊曉勇，胡科峰，等.基于PLC的沖床自動送料裝置控制系統設計[J].科 技傳播，2010（24）：200-214.

[4]徐帥.基于PLC的氣動搬運機械手控制系統[J].儀表技術與傳感器，2016（9）： 75-78.

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