基于PLC和触摸屏控制的教学用气动机械手研制

金兴伟，王 典

(湖北工业职业技术学院 机电工程学院，湖北 十堰 442000)

机械手是能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动化装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、食品加工等行业。气动机械手以压缩空气为媒介，是集机械结构、气动系统与控制系统于一体的典型的机电一体化产品，它具有结构简单、拆装方便、易于控制与操作、价格低等特点，非常适合用于教学。因此，设计制作该气动机械手可作为液压与气动、PLC编程控制与调试等课程实习实训教学设备，用以更好地培养学生专业综合应用能力和创新能力[1-3]。

1 机械手结构设计

气动机械手的结构如图1所示，具有竖直方向移动、水平方向移动和转动3个自由度以及1个手指运动，主要由4个部件组成：旋转气缸、伸缩气缸、升降气缸和气动手指。气动手指夹紧、松开可实现工件的抓取和放置。气动手指通过连接块与竖直方向的升降气缸连接，升降气缸实现竖直方向的上升和下降运动，该气缸在竖直方向的行程可通过其顶部的调节螺母进行调节改变。升降气缸通过连接块与伸缩气缸(也称悬臂缸)连接，伸缩气缸可实现水平方向的伸缩运动。为了能承受较大载荷和力矩，提高导向精度，该伸缩气缸采用双轴气缸。伸缩气缸安装在旋转气缸的转台上，旋转气缸可带动整个机械手实现0°～190°范围的回转，回转角度可通过调节螺母进行调节。整个机械手可根据需要安装在相应的工作台上。

1-气动手指 2-升降气缸 3-连接块 4-伸缩气缸 5-旋转气缸 6-调节螺母

图1 气动机械手结构图

2 机械手气动系统设计

气动机械手的气动回路图如图2所示。

图2 气动系统原理图

该气动系统结构简单，便于学生实验时组装与拆卸。换向阀均采用24V直流电磁换向阀，避免强电，保证学生在实验过程中的安全。所有气缸元件的活塞上都应该带有磁环，以便气缸外的磁性开关检测活塞是否运动到位，判断机械手运行状态，为后续动作提供执行条件。各气路中均配置了节流阀，可以根据实际需要调节各气缸的运行速度。

3 气动机械手控制系统

该气动机械手设计的初衷是为教学服务，应用于课程，贴近于实际，因此，控制系统采用PLC作为主控制器，配合当前工厂实际应用广泛的触摸屏作为上位机，与PLC通讯并对其控制和状态监测。学生可以通过该设备学习PLC编程控制与调试以及触摸屏组态。

3.1 PLC控制系统设计

3.1.1 控制要求

(1)能通过转换开关对机械手进行手动和自动运行切换；

(2)手动运行时，可根据需要控制机械手任意气缸动作，也可手动复位机械手；

(3)自动运行时，按下启动按钮，机械手按如下流程自动运行：原位(手指松开、悬臂缩回、手臂上升)→悬臂伸出→手臂下降→手指夹紧(抓取工件)→手臂上升→悬臂缩回→左转→悬臂伸出→手臂下降→手指松开(放下工件)→手臂上升→悬臂缩回→右转，完成一个周期动作。之后进行下一工件的搬运，依次循环。按下停止按钮，机械手完成当前工序后才停止。

(4)按下急停按钮，机械手立即停止运行。

3.1.2 PLC I/O地址分配及硬件接线

根据系统控制要求分析，所需的输入/输出(I/O)信号如表1所示。

表1 气动机械手控制系统I/O分配表

根据系统输入/输出特性及负载情况，PLC选用三菱FX-1N24MR，硬件接线图如图3所示。

图3 控制系统PLC硬件接线图

3.1.3 程序设计

根据控制要求分析可知，机械手按一定动作顺序执行，程序采用SFC顺序功能图[4-5]编写，应用选择性分支能方便实现手动运行和自动运行切换。转换开关SA使X12=1时为手动运行，自动程序分支不会执行；当X11=1时为自动运行，相应的手动程序分支不会执行。具体控制程序顺序功能如图4所示。

图4 控制程序顺序功能图

3.2 触摸屏组态设计[6]

系统选用MCGS的TPC7062TX触摸屏作为组态监控设备，MCGS与PLC之间变量连接如表2所示，控制界面如图5所示。控制界面由工作状态、自动控制、手动控制三部分组成。工作状态可以显示机械手当前运行模式；自动控制只需要启动、停止；手动控制可以对任意气缸进行控制，同时还可以进行机械手复位操作。

表2 MCGS与PLC变量连接表

图5 触摸屏控制界面

3.3 气动机械手制作与调试

根据设计的机械结构、气动系统和控制系统，进行元件采购和制作，组装调试后的气动机械手如图6所示。

图6 组装调试完成的气动机械手实物图

4 结语

该气动机械手将机械、气压传动、PLC控制技术、传感器检测技术、触摸屏技术有机整合在一起，可以很好地满足各项单类技能和综合技能的训练要求，适合进行实习实训教学和锻炼学生的动手能力、创新能力。学生可以利用该设备从机械组装、气控回路设计与组装、电气设计与安装、触摸屏设计、PLC 编程与调试等方面进行工程训练。经实际教学应用证明，该气动机械手实用性强，能有效提高学生学习兴趣，对实习实训教学起到了重要的促进作用。