实验教学用气动机械臂PLC控制设计

2014-03-13段晓飞

现代商贸工业 2014年3期

段晓飞

摘要：设计了一种基于PLC控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。叙述了实验教学用气动机械臂的总体结构，给出了PLC控制系统设计和气动驱动系统设计。控制程序采用“化整为零，积零为整”的模块化设计思路，程序运行效率高，可读性好。该机械臂性能稳定，成本较低，能够满足实验教学与科技创新设计需要。

关键词：机械臂；PLC控制；气动系统

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：16723198（2014）02016502

0 引言

可编程控制器相关课程中有一个主要的教学实验就是基于PLC控制的机械臂，该设计对可编程控制器的原理及其控制应用的理解具有重要的意义。通常会在教学实验、课程设计和科技创新中使用机械臂实验设备。该设计是为了满足实验教学以及科学创新。机械臂选用FX2N-48MR/MT系列PLC控制器，用气压驱动，能很好地满足教学实验、课程设计和科技创新设计的需要。

1 工作规则及控制要求

1.1 工作规则

机械臂的初始位置停在原点，按下复位钮，机械臂在原点复位；按启动钮，机械臂手臂伸出（水平）→手臂下降（竖直）→夹紧手抓→手臂上升（竖直）→手臂收回（水平）→水平摆动90°手臂伸出→手臂下降（竖直）→放松手抓→夹紧手抓→旋转手腕270°→放松手抓→反转手腕270°→手抓夹紧→手腕旋转270°→放松手抓缸→手臂上升（竖直）一手臂收回（水平）一摆动270°手臂回原点。经上面一系列流程，机械臂可完成的动作如图1中所示的位置1下方夹住瓶盖，然后再将瓶盖放下拧紧。通过改变程序设计也可以将该机械臂设计成通用机械臂，即在位置1夹住物品，然后在位置2将物品放下的动作。

图1 机械臂结构图1.2 控制要求

该设计的控制要求：

（1）手动方式：就是通过按钮对机械臂每个动作单独控制.例如，按下“下降”钮，机械臂下降，按下“上升”钮，机械臂上升。手动操作可使机械臂归于原点位置，同时便于机械臂的调整和维修；

（2）步进方式：按照完整的工作步骤从开始每按一下启动钮完成一步动作，然后停止直到再按一次启动钮，会自动执行下一个动作；

（3）单循环工作方式：按下启动钮机械臂从原点开始自动完成一个周期的工序动作后返回原点停止；

（4）連续工作方式：按下启动钮，机械臂从原点按工序自动连续循环工作，按下停止钮机械臂停止复位。如果选择“单周期”工作方式，机械臂会在完成一个周期的工作后返回原点自动停机。

2 机械臂和气压驱动系统设计

2.1 机械臂的总体设计

本设计将机械臂设计成直角坐标式，气缸是主要执行装置，FX2N-48MR/MT系列PLC为电气控制。设计将机械臂总体安装在一个可移动台架上，将机械装置与电气控制系统分离设计。为便于学生实习，台架上有气动电磁阀组、机械装置、开关按钮、电气接头。支架下放置电源、继电器、PLC、空气压缩机等。为方便学生电气接线，用电气接头把PLC的输入输出端子接到支架台面上，在台面上学生即可完成机械臂的接线和拆卸等动作。机械臂的机械装置如图1所示。

本设计的机械臂可以完成5个基本动作，实现五自由度控制，即左右、上下、夹紧、摆动、旋转。每个气缸都配有传感器为方便检测气缸的位置。

本设计主要用于教学实验，所以气缸均选用轻型系列工作压力设计在0.7—1MPa之间。其中，手指缸选V型手指缸MHZ2—100配1个磁性开关，完成夹紧动作。机械臂的手腕选用旋转缸CDRB1B W20配2个磁性开关，完成旋转扭紧动作，一般拧紧一个瓶盖需要旋540°才能完全拧紧，但是通常旋转缸只能旋转270°，所以只能旋转一次松开后再旋转一次，其中需要夹紧两次完成瓶盖的拧紧。我们选用CDJ2KB16—45A型号的垂直缸，并在气缸两端配2个磁性开关用于检测气缸的位置。选用CXSM15—100型号的水平缸，其两端配2个磁性开关。选CDRB1B W30—1805的旋转缸为摆动缸，将摆动角度设置为90°，手臂的摆动（以上选用气缸的最大使用压力均不超过1.0MPa）。焊接一个L型角钢在立柱上，角钢两边分别安装有光电接近开关，分别在2个光电开关的旁边设置一个挡位缓冲装置（内装有弹簧）为防止摆动缸直接碰到光电开关（选用LE4-K型光电开关）。

立柱的结构为将旋转气缸用螺栓固定在一个倒U型的方钢里，并用螺栓连接将其与底座连接。底座采用铝合金材料做成T型，用螺栓固定到台面。

2.2 气压驱动系统设计

据分析，本设计共有5个气缸和配有5个电磁换向阀的气压驱动系统如图2所示。其中电磁换向阀控制气缸的运动方向；单向节流阀控制气缸运动速度；压缩空气由气动二联件向各气缸集中供应。

图2 气压驱动回路图使用带中位的三位五通双向电磁阀可使水平缸摆动、手抓旋转停在任一位置。垂直缸靠弹簧复位本设计采用二位三通单向电磁阀，如果要垂直缸下降则给电磁阀通电，如果将电磁阀断电，在弹簧的作用下垂直缸复位。用二位五通双向电磁阀来控制水平缸和手抓缸的动作。手抓缸不设计节流阀，因为不需要调节速度，只有开合动作。

3 PLC控制系统设计

3.1 PLC的选择

由气压驱动回路图2所示，本设计有7个磁性开关和2个光电开关安装在5个气缸上，用于检测气缸位置，气压机械臂的工作方式由有启动、停止、单循环/联动、手动/自动、复位、急停、上电等7个按钮的操作面板控制，其中单循环/联动和手动/自动为组合旋钮，PLC输入点共计16个，例如磁性开关、光电开关和按钮等均为开关量输入点。PLC输出点为13个，其中开始、复位、停止、上电按钮的指示灯4个，气缸电磁换向阀的电信号9个。本设计选用的FX2N-48MR/MT系列小型PLC具有27个输入点和17个输出点，均大于设计要求的输入输出点数量，能够满足控制要求。

3.2 控制程序设计

本设计的机械臂设有手动、自动、单循环、联动、复位等工作模式。手动方式可用于机械臂维修调整使用，当设置为手动或单循环工作模式时只循环一个完整的工序便自动停下；当设置为自动方式时，这是气动机械臂正常的工作方式，把组合旋钮转到自动或联动时执行自动循环一直重复运动，直到按停止按钮才能停下。复位操作可使机械臂从任一位置返回原点。

本设计PLC程序设计采用顺序步进指令控制机械臂的动作步骤，流程图如图3所示。

图3 程序流程图在设计PLC控制程序中，将复位控制设置在初始步前，只有当摆动缸回位、垂直缸升起、水平缸收回、手抓松开4个步骤同时完成时叫复位。当摆动缸回转90°以后，如果是自动/联动工作状态，水平缸自动伸出，这个时候是不需要按启动钮；如果是在手动/单循环工作状态时，在机械臂完成一个完整的工作过程后程序回到初始步，必须再一次按启动钮才能继续开始新的一个工作过程。

PLC控制程序在设计时，需注意手抓合拢后在被抓物品被放下前要始终保持是夹紧状态；在步进指令状态下工作时每执行一步都需要执行一次手抓夹紧的动作，或者在SET置位指令工作状态下使手抓夹紧，在使用RST復位指令时使手抓松开。可根据被操作对象的具体特征和具体要求来改变程序来调整旋转角度。

4 结束语

经对机械臂的安装和调试，本设计的机械臂能够按照设计要求的完成动作和达到控制要求，总体有以下几个特点：

4.1 具有可靠的控制性

在PLC的控制下运行稳定可靠，能很好地满足教学实验需要。

4.2 具有简便的操作性

便于学生在台面上安装和调试，我们将气动、电气接线部分设置在台面上，线路、传感器和气缸均可拆下。

4.3 面板具有清晰易控性

操作面板清晰易控，指示一目了然，按钮操作方便顺手。

4.4 具有便捷的调试性

为能实现程序在线调试，在台面上设置PC与PLC连接。

本研究基于PLC控制的机械臂能够满足实验教学、调试方便和模拟工业现场等需求。