基于FX3U-32MR型PLC的触摸屏机械手控制系统设计*

2018-08-03江子敬刘焕牢苏妙静周磊磊

机电工程技术 2018年6期

江子敬，刘焕牢，苏妙静，周磊磊

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088）

0 引言

在目前的工业生产线应用中，机械手越来越受到重视，因为它不同于人工，它能不停歇的一直运动，而且使用灵活方便，能完成各式各样的任务，能把人从一些简单重复或者相对复杂的工作中解放出来，更重要的是，机械手的存在，能提高产品的效率，省时又省事[1]。人的手臂能完成的一些动作，机械手基本上也都能完成甚至是更好的完成。它的动作过程，只需要按照规定编程，就能实现各种预定的动作。运用可编程控制器PLC进行程序的编制，其编程简单，调试相对容易且方便安装维护，目前已经得到广泛的应用[2-3]。本设计最终选用三菱FX3U系列PLC，其性能相对较好，能更好地完成所需的控制任务，但是由于PLC可视化较弱，增加触摸屏，可以结合两者的优点，其操作简单以及界面友好，并能减少PLC所需的I/O点数，增强了控制系统的整体效果[4-5]。

1 工作过程和控制要求

如图1是机械手结构示意图，其主要任务是将物件从工作台A搬运至工作台B，其中该机械手三轴传动单元均由伺服电机来驱动，机械手的夹紧或放松由一个单线圈电磁阀控制，线圈通电时，机械手夹紧动作，断电时松开动作，并在电机与传动部件之间放置减速装置，由两个移动轴、一个转动轴来完成末端执行器的空间运动[6]。设定原点位置为：机械手位于上升极限位，缩回极限位，右转极限位且机械爪处于松开状态。其工作过程为：

原点→伸出→下降→夹紧→上升→缩回→左转→下降→松开→上升→右转→原点

图1 机械手结构示意图

该机械手的工作方式有原点回归、手动、单步、单周期和自动运行五种模式，对于每种模式都需要有详细的设计，当工件在A位置时，机械手收到信号后，从原点位置开始按控制顺序移动并夹取工件到B位置，为了能更好地对控制系统调试，检查每个控制过程的状态，其他几个模式的设计也显得很有必要。

2 硬件设计

2.1 机械手的硬件组成

系统的主要组成部分如下：运动控制模块（控制器）、驱动模块（伺服驱动器）、执行机构（机械部件）、传感器模块、触摸屏等。本设计的搬运机械手的自由度有：上下运动单元（竖直轴）、旋转运动单元（旋转轴）、伸缩运动单元（水平轴），共同完成末端执行器的搬运作业。

2.2 PLC的选型及I/O口分配

通过控制的需要，输入输出点的个数以及分配都需要明确，在本设计中，由于应用了触摸屏，故输入点个数只有6个，输出点个数是7个，特殊辅助继电器有17个。在I/O接口的选择上，要注意留有一定的余量，一般来说是不超过最大I/O点的85%。基于此考虑，故选择了三菱FX3U系列的PLC，选择的型号为：FX3U-32MR。此PLC能很好地满足控制要求，且性能较好。机械手具体的输入输出分配与触摸屏软元件分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3 软件设计

3.1 PLC的程序设计

根据系统的控制要求，采用模块化编程方法来设计PLC程序，本控制系统中有五种工作方式，通过分析这五种工作方式的控制要求，就会发现单步、单周期和自动工作方式的控制过程是一样的，都是系统的运行控制，只不过控制方式不同而已，故把这三种工作方式合在一起编程，那么实际上需要编程的是手动程序、原点回归程序、自动程序以及用于他们之间切换的公用程序，多设计了紧急处理程序的编程，这可以让系统安全性提高。本程序的设计采用PLC的状态初始化指令IST和步进指令STL结合编程，使用IST指令必须要有满足指令所要求的外部接线规定以及内部软元件应用条件，这样对于该指令才能完成所需的控制功能。而且由于使用了这个指令，可以节约设计的时间[7]。

3.2 各部分程序的编程

3.2.1 紧急停止处理程序

当系统执行到某状态需要紧急停止或其他突发状况需要及时停止时，可运用此程序进行紧急停止，不过也需要了解的是，这个紧急停止程序不是外部电源的停止，仅仅是内部断开一切的输出触点，其具体程序如图2所示。

图2 紧急处理程序

3.2.2 公用程序

作用是手动程序、原点回归程序以及自动程序三者之间的转换，其具体程序如图3所示。

图3 公用程序

图4 手动程序SFC

3.2.3 手动程序

用于控制机械手的各个执行器的单独接通和断开，如机械手的上升、下降、伸出、缩回、左转、右转、夹紧和放松。可试验各个部分能否完成控制要求。在手动程序中，在相反的运动中设计了必要的互锁，如上升与下降之间，伸出与缩回之间，左转与右转之间，以使控制过程更加安全可靠。其手动程序的顺序功能图SFC如图4所示，其梯形图如图5所示。

图5 手动程序梯形图

图6 原点回归SFC

3.2.4 原点回归程序

原点是机械手的初始机械位置，在本设计中，原点由上升、缩回和右转三个限位开关表示。并且在回归原点之后，需要发出信号，表示原点位置条件的满足，并为进入自动程序段做好准备。原点回归的顺序功能图如图6所示，部分梯形图如图7所示。

图7 原点回归程序梯形图（部分）

3.2.5 自动程序

自动程序包括了单步、单周期和自动控制程序，在运行自动程序时，机械手必须处于原点位置，若不在原点位置上，首先需要进行原点回归。单步表示在控制过程中，每按动一次按钮，控制就按顺序向前运行一步，此方式可用以机械手的调试以及确定控制顺序是否正常。单周期是指机械手仅运行一个工作周期，在单周期运动过程中，如果中途按下停止按钮，机械手会立即停止工作，当重新启动时，会继续上次结束的地方开始运动。自动运行工作方式是按工作流程反复循环的工作，在此模式下，如果中途按下停止按钮，则会继续完成一个工作周期直到回到原点才结束[8-9]。自动程序的顺序功能图如图8所示，部分梯形图如图9所示。

图8 SFC

4 触摸屏设计

图9 自动程序（部分）

本次设计采用的是三菱触摸屏的编程软件GT3-De⁃signer3（简称GT3），它是由三菱电机公司开发的人机交互界面编程软件。由于它使用便捷的特点和能够直接与三菱PLC编程软件模拟仿真的功能，所以选择此款软件作为开发软件。可选择GOT2000系列，型号为：GT2710-VTBA的触摸屏，触摸屏与FX3UPLC直接相连时，选择RS-232端口进行通信。界面设计分为主界面和工作模式界面，即为开机的界面，包括有五种工作模式的选择，其他界面分别为各个模式的具体操作界面。仅以开机界面和手动操作界面为例，其他界面类似，如图10为主界面，图11为手动操作界面。

图10 主界面

图11 手动界面

5 调试与应用

在开始实际的安装运行之前，需要先通过模拟调试。调试的时候可以各个部分分开运行，也可以整体调试。在设备调试之前，要仔细检查外部设备的连接是否完好，接线有没有问题等，检查完毕可以就地手动调试，再根据具体调试情况进行修改，经过控制机械手的实际运行情况，能满足控制对象的要求。通过硬件设计和软件设计之后，此程序能按预定控制需要正确的工作[10]。该搬运机械手的应用，提高了生产效率，节约了生产成本与时间成本。