基于触摸屏和PLC的教学型搬运机械手控制系统的设计
周海丹
【摘 要】针对机电专业《机电综合项目设计与制作》、《工业机械手》等核心课程缺乏结构合理、功能合适、价格低廉、适合普通教室使用的教学设备问题,设计了教学型搬运机械手,并详细介绍了该搬运机械手的结构与控制系统设计思路.该设备以三菱FX3GA-24MR型PLC为控制核心,以三菱GS2107触摸屏为监控界面,可根据不同控制要求修改电路和程序,达到变更搬运流作业流程的目的,满足了课程教学要求.测试结果表明,该控制系统操作简单且运行可靠,具有直观性、便捷性、高效性与可视化等优点,适合学生在普通教室学习操作,具有较高的实用价值.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】3页(P36-37,39)
【关键词】触摸屏;PLC;搬运机械手;系统设计
【作 者】周海丹
【作者单位】杭州职业技术学院 特种设备学院,杭州 310018
【正文语种】中 文
随着国内外机电一体化技术飞速发展，机电一体化技术行业对于人才的需求发生了巨大变化。杭州职业技术学院机电专业开设了《工业机器人》、《机电综合学期项目》等新兴课程。传统教学过程中，教具形式和功能都很单一，不能组合演示，在伺服机构、机械手以及典型机电一体化系统结构教学过程中没有专业的演示教具。所以本文设计了一种执行机构可更换的移动式教学型机械手，该结构与工业机器人结构大同小异，且具有体积小、方便携带和安全性能高等特点，特别适合缺乏实际操作经验的学生操作。
1 教学型搬运机械手的结构
该搬运机械手结构合理，主体结构能重复拆装，各零部件之间通用性和互换性较强，可以快捷地实现执行机构的互换。
1.1 雕刻机形态
考虑到底座承载能力，雕刻机总体采用了直角坐标结构，如图1所示。制作材料主要为铝合金，方便学生拆卸。
图1 雕刻机形态
1.2 写字机械手形态
将z轴控制雕刻刀旋转的直流电机拆除，安装一个夹具，可以夹持不同执行机构，从
而实现不同的功能。例如要想装夹各类笔，就可以配备适当的控制系统，此时为写字机械手形态，如图2所示。
1.3 运机械手形态
将z轴夹持部分拆除，装上气动手爪，配以气泵、过滤减压阀与电磁换向阀等气动元器件，再设计合适的控制系统，即成为搬运机械手形态。搬运机械手结构主要包括机架、滑动连接在机架上的工作台、固定夹放气缸的移动架、用于驱动工作台沿X轴移动的X轴驱动机构、用于驱动移动架沿Y轴移动的Y轴驱动机构和用于驱动夹放气缸沿Z轴移动的Z轴驱动机构，如图3所示。
图2 写字机械手形态
图3 搬运机械手形态
2 控制系统的设计
以搬运机械手为例来阐述控制系统的设计过程。教学型搬运机械手控制系统主要由PLC控制器、三菱触摸屏、各轴位置检测以及驱动执行机构组成，如图4所示。触摸屏可实时监控搬运机械手现场工作状态，若现场出现突发情况或故障，监控人员可通过触摸屏向PLC控制器发送急停命令进行紧急处理。各轴位置检测单元用于检测各轴是否运动到极限位置，同时将机械手的工作状态传输给PLC控制器，PLC分析处理后，若到达极限位置，则PLC发出控制信号，系统暂停运行，并在触摸屏上显示超程警报。
2.1 人机交互模块
人机交互模块是指控制系统软件界面，软件界面设计遵循“简洁、方便、易操作”原则。本系统采用三菱GS2107触摸屏作为人机界面，开发软件为GT WORKS。搬运机械手形态手动模式主界面如图5所示，其中包含八个输入按钮，分别按照X、Y、Z轴进行行走控制和机械手抓取；九个输出指示分别对应X、Y、Z轴的运动状态、机械手抓放状态以及发生错误时的警报指示灯状态。
图4 教学型搬运机械手的控制系统组成
图5 搬运机械手形态手动模式主界面
2.2 基于PLC的控制系统设计
基于PLC的教学型搬运机械手主要依赖X、Y、Z轴进行运动，从而控制夹放气缸运动。由于加入了触摸屏部分，因此需要6个输入点和8个输出点。根据系统设计要求，本PLC控制系统选用三菱公司的FX3GA-24MR型PLC作为核心控制单元，共有14个输入端子和10个输出端子。系统输入输出分配如表1所示，手动控制模式流程如图6所示。
表1 搬运机械手控制系统输入输出分配表软元件 功能 软元件 功能M60 X-点动 Y2 Y-继电器M61 X+点动 Y3 Y-继电器M62 Y+点动 Y4 Z-继电器M63 Y+点动 Y5 Z+继电器M Z-点动 Y6 电磁阀吸合M65 Z+点动 Y7 电磁阀放开X0 X负限位 M10 X-运行状态指示X1 X正限位 M11 X+运行状态指示X2 Y正限位 M12 Y-运行状态指示X3 Y负限位 M14 Y+运行状态指示X4 Z负限位 M15 Z-运行状态指示X5 Z负限位 M16 Z+运行
状态指示Y0 X-继电器 M17 手爪张开状态指示Y1 X+继电器 M18 手爪闭合状态指示
图6 搬运机械手形态手动模式主程序流程
3 结语
本文基于PLC控制的稳定性以及触摸屏的可视化优点，设计了一种用于教学的小型移动式搬运机械手控制系统。该系统以三菱公司的FX3GA-24MR型PLC为控制单元，并且选用了三菱GS2107触摸屏作为人机界面，通过GT WORKS软件完成触摸屏人机交互界面设计，可实时对机械手进行控制并监控机械手运行状态。根据不同控制要求，可通过修改控制系统程序达到变更搬运流程的目的，具有很强的实用性。通过现场调试运行，该控制系统界面友好，具备较好的灵活性，适合学生学习操作，具有较好的实用价值。该移动式教学型搬运机械手已应用杭州职业技术学院机电一体化专业核心课程教学当中，为日常教学提供了良好的教学载体、项目与内容，取得了较好的教学效果。。
参考文献
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