PLC和触摸屏在多自由度气动机械手系统中的应用.pdf

第 3期 2 0 1 6年 3月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l Au t o m a t i c M a n uf a c t ur i n g Te c hn i q ue No ． 3 M ar ．20 1 6 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 6 0 3 0 0 5 8 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m m t a m t ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 1 6 P L C和触摸屏在多 自由度气动机械手系统中的应用术 王 小娟 ， 胡兵 新疆工程学院 a ． 基础部 ； b ． 电气与信息工程系， 乌鲁木齐8 3 0 0 1 1 摘要 针对生产线 中搬运站对搬运气动机械 手的要求 ， 提 出触摸屏作 为上位机 ， P L C作为控制 器， 电 磁 阀、 气缸作为驱动设备的气动机械手控制方法。重点介绍 了系统气动原理 、 硬件构成 、 软件编程和 触摸屏的设计 ， 经过调试试验和应用， 系统满足控制要求， 具有安全性高、 可靠性和稳定性好的优点。 关键词 P L C； 机械手 ； 触摸屏 ； 多自由度 中图分类号 T HI 3 8 ； T G 6 5 9 文献标识码 A Ap pl i c a t i o n o f PLC a nd To uc h- s c r e e n i n t he M ul t i - DOF Pne u m a t i c M a ni pu l a t o r WA NG Xi a o ． j u a n ，HU B i n g a ． F o u n d a t i o n a l D e p a r t me n t ； b ． D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， X i i a n g I n s t i t u t e o f E n - g i n e e r i n g ， U r u m q i 8 3 0 0 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q ui r e me n t s o f h a n d l i n g s t a t i o n s f o r p n e u ma t i c ma n i p u l a t o r，t h i s pa p e r p u t s fo r wa r d a me t ho d t h a t P LC a s the c o n t r o l l e r ，t o u c h s c r e e n a s t h e u p p e r ma c h i n e，e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e a n d c yl i n d e r a s d riv e r s ．the p a p e r e mp h a t i c a l l y i n tro d u c e s p n e u ma t i c p rin c i p l e o f ma n i p u l a t o r a n d h ard ware s tru c t u r e a n d s o f t ware p r o g r a mmi n g a n d t h e d e s i g n o f To u c h s c r e e n，b e i n g t e s t e d a n d a p p l i e d，t h e s y s t e m me e t s t h e c o n t r o l r e q u i r e a n d h a s h i g h s e c u r i t y，r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i t y． Ke y wo r d sP LC ；ma n i p ul a t o r；t o u c h s c r e e n；mu l t i DOF 0 引言 1 系统控制要求 随着社会的进步、 经济的发展和人们生活水平的 提高， 人们对生产 自动化的要求越来越高， 尤其在易 燃 、 易爆 、 高温、 高压、 高强度等人不能接受的特殊场 合， 迫切需要生产 自动化， 机械手具有灵活的运动性 ， 运行的平稳性和操作简单性， 能够适应特殊场合的生 产 自动化 ， 广泛应用 于工业、 农业 、 食 品加工业 等领 域 。气动设备采用洁净空气作为传动介质， 具有安 全性好 ， 成本低的特点， 结合现代传感器技术 、 P L C技 术 、 伺服驱动技术 ， 能够实现控制灵活 、 定位精确、 运动 可调节的功能 。触摸屏具有实时监控、 灵活修改参 数及报警显示等等特点， 与 P L C结合控制机械手 ， 能 够使机械手操作方便， 运行可视化。 目前， 工业生产中气动机械手主要 由 P L C控制 ， 实时监控和可视化效果欠缺， 为此 ， 本文综合气动机械 手 、 P L C技术和触摸屏技术的特点， 以生产线搬运站为 载体 ， 提出 P L C和触 摸屏控 制多 自由度机械手 的方 法 ， 期望做到安全可靠， 减小劳动强度和提高生产效 率 ， 为实际生产和教育教学提供参考 。 生产线 由加工站、 搬运站和装配站组成， 加工站完 成对工件的加工后 ， 发出完成信号 ， 由搬运站气动机械 手将工件从加工站搬运到装配站， 由搬运站完成对工 件的装配 ， 并且由触摸屏监控程序运行状况 ， 其 中搬运 机械手有左偏转 、 右偏转、 伸出 、 缩 回、 上 升、 下 降、 夹 紧、 放松多个 自由度 ， 分别由相应 的气缸 、 电磁换向 阀、 磁性开关结合 P L C完成控制任务， 具体控制要求 为 1 为了便于调试和检修 ， 要求系统能够就地手 动控制 。 2 触摸屏切 换 到主控 画面窗 口后 ， 搬 运 气动 机 械手首 先检查 系统是否处 于初 始状态 ， 初始状 态是 指 ①加工站是否完成加工 ， 处于等待搬运状态， 否则机械 手上红色警示灯闪烁， 系统不允许运行。②检查机械 手气动执行元件是否处在最左端， 缩回， 最上端位置 ， 手抓是否处在放松状态 ， 若否， 则机械手上的黄色警示 灯闪烁， 系统不允许 自动运行， 需要手动运行 ， 使机械 手处在最左端 ， 缩回， 最上端位置 ， 手抓处于放松状态。 若上述条件满足 ， 机械手黄色警示灯常亮， 表述机械手 收稿 日期 2 0 1 5一o 41 4 ； 修回日期 2 0 1 50 51 5 基金项 目 2 0 1 3年度新疆工程学院教改基金项 目 2 【 】 1 3 g c x y j 1 7 k g 1 4 0 7 作者简介 -Y - d , 娟 1 9 8 4一 ， 女， 湖北 孝感 人 ， 新 疆工 程学 院讲 师， 硕 士， 研究 方 向为运 筹学 与控制 论方 面 的科 研 和教学 T作 ， Ema i l 2 0 0 3 0 4 2 1 21 1 6 3． c o rn。 2 0 1 6年 3月 王小娟， 等 P L C和触摸屏在 多 自由度气动机械手系统 中的应用 5 9 准备就绪。 3 搬运站气动机械手初始状态就绪后 ， 系统可 以进行单周期运行 和 自动运行选择 ， 在单周期运行或 自动运行状态 ， 按下触摸屏上启动按钮， 系统启动， 绿 色灯常亮， 表示系统正在运行， 搬运站气动机械手需要 完成左偏转 一 伸出 一下降 一夹紧 一 上升 一 缩回 一右偏 转 一 伸出 一下降 一放松 一上升 一 缩回 一左偏转整个工 作过程 ， 在触摸屏 中能够监控此工作过程 。 2系统气 动原 理 搬运站气动机械手需要完成左偏转 、 右偏转 、 伸 出、 缩 回、 上升、 下降、 夹紧、 放松多个 自由度的工作， 分 别由旋转气缸 ， 直线气缸和夹爪气缸驱动机械臂动作 ， 在气缸的表面刻有端槽 ， 用于安装磁性开关来对气缸 限位 ， 气动原理图如图 1 所示 ， 其中旋转气缸用于左右 偏转 ， 转动角度为 1 8 0 。 ， 其动作 由一个三位五通 电磁 阀控制 ， 且在左右偏转的极限位置安装有机械阻尼装 置， 以减小偏转时的冲击力 ， 两个直线气缸用于上下运 动和收缩控制 ， 由两个两位五通电磁阀控制 ， 夹爪气缸 用于夹紧和放松 ， 由一个两位五通阀控制 ， 与气缸连接 的气管上安装有节流阀， 控制气缸运行 的速度和平稳 性 。 图 1 机械手气动原理图 3 气动机械手电控系统 3 ． 1 系统硬件构成 气动机械手 电控系统 由触摸屏、 P L C、 气缸、 电磁 阀和传感器构成， 其结构原理图 如 2所示 。 偏 转 电 磁 阀 伸 缩 电 磁 阀 匕 { 电 加 电 图 2 气动机械手结构原理图 通过对控制系统要求和气动控制原理的分析， 系 统均为开关量控制， 共有 8个输入和 1 1 个输 出， 从满 足系统要求和简单经济的角度 出发， 选用西门子 s 7 2 0 0 P L C C P U 2 2 4作为控制器 ， 该控制器本身带有 1 4路 的开关量输入和 1 6路开关量输出， 能够满足系统控制 对 1／0点数的要求 ， 具备两个通信端 口p mt 0和 p r o t l ， p r o t 0通过 P P I 电缆与 P C相连 ， 完成程序 的编制和下 载 ， p r o t l通过 R S 4 8 5电缆与触摸屏相连 ； 上位机选 用 MC G S的T P C 1 1 6 2 H i 触摸屏作为组态监控设备， 该 触摸屏为嵌入式一体化触摸屏 ， 具有很强的数据处理 、 图像显示和传输反应能力， 能够在线和离线组态 ， 通过 R S 4 8 5电缆与 P L C通信端 口连接， 完成参数设置、 命令 输入、 运行监控、 报警报表输出等任务 ； P L C的输入接 8个控制按钮 ， 控制设备就地手动运行 ， 用于设备调试 和检修 ， 输出接 8个 电磁换 向阀和 3个指示灯用于系 统控制和工作状态指示。 3 ． 2系统 P LC编程 在气动机械手控制系统中， P L C既是 1／O接 口， 也 是控制器 ， 系统的控制任务由 P L C来完成， 由于该气 动机械手有就地手动和触摸屏控制两种方式 ， 就地控 制需要有 8个按钮手动控制 ， 8个按钮直接控制输 出 的电磁换向阀， 用 于手动调试 和检修， 不 占用 P L C的 输入端口， 但 4个气缸限位需要用到 8个磁性开关， 所 有需要 8个数字量输入端 口， 触摸屏控制方式下有单 周期运行和 自动运行选择， 由于 P L C的输入只能读 取 ， 不能写入 ， 触摸屏与 P L C控制时需要通过在触摸 屏中设置软开关来实现控制， 在触摸屏中点击软开关， 对 P L C辅助继 电器 M发布启停控制命令 ， 即可控制 P L C中输 出线圈的变化， 应用系统选用 M1 0 ． 1 作为单 周期运行和 自动运行选择软开关对应 的 P L C地址． M1 0 ． 2作为系统复位软开关对应的 P L C地址， M1 0 ． 3 作为系统启动软开关对应的 P L C地址 ， M1 0 ． 0作为等 待搬运状态对应的 P L C地址 ， 此信号 由加工站通过网 络通信控制 ， 上述分析确定气动机械手系统的P L C I ／ 0 分配 如表 1 所示 。 表 1 机械手搬运系统 P L C UO点分配表 根据控制系统的要求 ， 当气动机械手初始化完成 ，