一种基于PLC的机械手控制系统设计

温毅 李哲宇 康文凯 李龙 张铻

摘 要

在密闭箱室内进行实验或生产时，有时需要对大质量或有害物质进行转运。在对转运过程进行充分功能分析后，提出了一种基于PLC的机械手控制系统设计方案。针对设计方案，进行了控制系统硬件与软件的综合设计，系统以PLC作为控制和通讯核心，在触摸屏上操作进行控制。机械手在步进电机的控制下完成沿X轴、Y轴、Z轴方向的运动，在气缸的控制下完成抓取和放松运动。该系统的应用能够有效减少有害物质对操作人员的伤害，并使转用过程更加高效安全。

关键词

密封箱式;机械手;PLC;控制系统

中图分类号： TG155.92                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.034

Abstract

When conducting experiments or production in closed chamber，sometimes it is necessary to transports large or harmful substances.After fully functional analysis of the transshipment process，a design scheme of manipulator control system based on PLC is proposed.According to the design scheme， the hardware and software of the control system are designed synthetically. The system takes PLC as the control and communication core，and operates on the touch screen.Under the control of the stepping motor，the manipulator moves along the x-axis，Y-axis and z-axis，and under the control of the cylinder，the manipulator grabs and relaxes.The application of the system can effectively reduce the harm of toxic substances to operators，and make the transfer process more efficient and safe.

Key Words

Sealed box;Manipulator;PLC;Control system

0 引言

密封箱式在科研和生产中具有广泛的应用。通常在密封箱式中进行对小质量部件的操作，此时操作人员只需手工即可完成操作。但有时需要在密封箱式中进行对含有有害物质或质量较大的部件的转运。此时如果使用纯人工操作，存在效率低、风险高的缺点。采用機械手则具有效率高、安全性高的优点。

PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置[1]。本文以PLC为控制、通讯核心，触摸屏、按钮开关、传感器为输入单元，电机模组、气动模组为执行单元实现设计功能。该自动控制系统实现了机械手的转运功能。

1 控制系统的方案设计

1.1 功能分析

本研究设计的机械手控制系统，包含控制系统的基本功能和专用功能。基本功能包括：开关、急停、初始化、运行指示、通电指示、故障指示;专用功能包括：抓取和转运功能。

1）基本功能

开关：按下开关按钮，设备通电，通电指示灯显示红色。

急停：按下急停按钮，设备停止所有动作，故障指示灯显示黄色。

初始化：按下初始化按钮，电机模组回原点，气动模组回原点。

2）转运功能

转运功能：通过机械手，实现对被操作部件的转运。

抓取功能：通过机械手，实现对被操作部件的抓取。

1.2 控制系统方案设计

如图1，整个机械手由X向模组、Y向模组、Z向模组及夹持机构组成。整体安装于密封箱室内。机械手沿X、Y、Z方向的运动，分别由X向步进电机模组、Y向步进电机模组、Z向步进电机模组实现[2-3]。到达指定位置后，可通过夹持机构实现对操作物的抓取和放置。夹持机构由电磁阀控制气缸的伸缩完成夹持与放置。

2 控制系统硬件设计

机械手控制系统以PLC为控制、通讯核心，按钮开关、传感器连接到PLC输入接口，电机驱动器、电磁阀、状态指示灯连接到PLC输出端口。触摸屏通过RS232接口实现与PLC的通信，本控制系统通过触摸屏控制机械手的运动。该系统硬件控制框图如图2所示[4]。

采用台达DVP60ES2系列PLC作为控制核心，I/O端口分配如表1所示。

3 控制系统软件设计

3.1 触摸屏程序设计

本控制系统由初始化界面、操作界面及速度调整界面组成。机械手操作界面由操作按钮，状态指示灯及页面转换按钮组成[5]。图3为机械手操作界面，最上方为控制机械手分别沿X轴、Y轴、Z轴连续运动的按钮，沿X轴、Y轴、Z轴运动的速度可以通过速度调整界面进行调节。左下方为，机械手沿X轴、Y轴、Z轴点动调整的按钮，通过6个方向的按钮，可控制机械手沿六个方向进行点动。中间为装夹装置控制按钮和状态指示灯。通过抓紧和放松按钮可以控制机械手的抓紧和放松。状态指示灯显示机械手的运行状态。右下方为实现机械手回零、初始化、停止及切换到设置界面的按钮。

3.2 PLC程序设计

3.2.1 PLC程序流程图（见图5）

3.2.2 PLC程序设计

本系统采用台达WPLSof软件编写程序。沿X轴左工进程序如图6，沿X轴左点动如图7，装夹程序如图8。

4 结论

机械手在工业生产中具有广泛的应用。本文针对在密封箱室的操作，设计了一种辅助转运的机械手控制系统。在对机械手功能分析的基础上，设计了机械手控制系统。该机械手控制系统能够实现机械手沿X轴、Y轴、Z轴方向的工进和点动，并能够对工进速度进行调整，并实现了机械手的抓紧和放松功能。机械手控制系统以PLC为控制和通讯核心，以触摸屏为控制终端对机械手进行控制。该系统投入实际生产中，能够在一定程度上改善工作环境，提高工作效率，降低操作危险系数。

参考文献

[1]郁汉琪.电气控制与可编程程序控制器应用技术[M].南京：东南大学出版社，2013.

[2]郭琳娜，郑天池.基于PLC的L形镍片自动上料机的设计[J].现代制造工程， 2017（11）：121-125.

[3]卢海龙，杨晓勇，胡科峰，等.基于PLC的冲床自动送料装置控制系统设计[J].科 技传播，2010（24）：200-214.

[4]徐帅.基于PLC的气动搬运机械手控制系统[J].仪表技术与传感器，2016（9）： 75-78.

[5]台达公司.DOPSOFT操作手册[S].上海：中达电通股份有限公司，2017：3-31.