圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺探究

1、圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺探究摘要：在當(dāng)今社會，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，而圖形 監(jiān)控在工控自動化領(lǐng)域發(fā)展中也得到很快的提高。本設(shè)計從 教學(xué)角度出發(fā)，介紹了圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺的總體結(jié) 構(gòu)，運用圖形監(jiān)控來完成機械手的模擬操作，不僅能夠?qū)C 械手進行監(jiān)控，而且能夠進行模擬控制。通過組態(tài)軟件強大 的動畫功能實時顯示機械手的動作過程，通過模擬機械手畫 圖，做變量，編寫程序，來實現(xiàn)機械手的模擬操作。其中運 用動畫的效果去模擬機械手的運作，降低了學(xué)習(xí)的難度，而 且可以很大程度上吸收經(jīng)驗，掌握知識。abstract： in today， s society， science and technology has r

2、apid development, and also the graphic monitoring has great improvement in the field of industrial outomation. this design from the teaching point of view, introduces the overall structure of graphic monitoring robot teaching platfonn， using graphic monitoring to complete the simulated operation can

3、 not only monitor the manipulator, but also can simulate control. through powerful animation function of configuration software can display the action process of manipulator in real time, through thesimulation manipulator drawing,doing variables ,programming to realize the simulation of the manipula

4、tor operation, the application of animation to simulate the effect of the manipulator operation reduces the difficulty of learning, but also can absorb the experienee in a large extent and master knowledge關(guān)鍵詞：機械手；plc；圖形監(jiān)控；組態(tài)技術(shù)key words： manipulator； plc； graphic monitoring； configuration technology中

5、圖分類號：tp241文獻標(biāo)識碼：a文章編號： 1006-4311 (2013) 36-0227-030引言隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)日新月 異，計算機應(yīng)用的日益普及，在專業(yè)教學(xué)中，利用計算機進 行仿真教學(xué)已經(jīng)引起人們充分關(guān)注。從組態(tài)軟件的內(nèi)涵上 說，組態(tài)軟件是指在軟件領(lǐng)域內(nèi)，操作人員根據(jù)應(yīng)用對象及 控制任務(wù)的要求，配置(包括對象的定義、制作和編輯，對 象狀態(tài)特征屬性參數(shù)的設(shè)定等)用戶應(yīng)用程序的過程，也就 是把組態(tài)軟件視為“應(yīng)用程序生成器”。從應(yīng)用角度講，組 態(tài)軟件是完成系統(tǒng)硬件與軟件溝通、建立現(xiàn)場與監(jiān)控層溝通 的人機界面的軟件平臺，它的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于工業(yè)自 動化領(lǐng)域，還可應(yīng)

6、用于仿真教學(xué)和技能鑒定考核等領(lǐng)域。圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺是一種適合大中專學(xué)生的具 有開放式特征的教學(xué)平臺。是多種高科技的融合，可以完成 電工、電子、plc、機械設(shè)計、傳感器、機電控制、觸摸屏 技術(shù)、組態(tài)技術(shù)等許多課程的幾百個實訓(xùn)實驗。圖形監(jiān)控機 械手教學(xué)平臺的作用主要以展示機械結(jié)構(gòu)、運動特征和功能 關(guān)系為主。相對于工業(yè)機器人具有它的特殊性：首先，一臺 圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺相當(dāng)于一個試驗平臺，要能顯示多 種運動性能。因此，利用組態(tài)軟件可實現(xiàn)遠程控制、可視畫 面同步和實時監(jiān)測從而構(gòu)成一個集動作控制、過程監(jiān)測與控 制的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化、組態(tài)化的自動控制，在我國 現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展進程中將起到巨大

7、的推動作用。本文采用三 自由度圓柱坐標(biāo)型機械手結(jié)構(gòu)，圖形監(jiān)控示教器采用組態(tài)軟 件和觸摸屏，控制系統(tǒng)采用可編程序控制器，設(shè)計了圖形監(jiān) 控機械手教學(xué)平臺，具有造價低、調(diào)控容易、重復(fù)性好的特 點。1圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺描述如圖1所示，圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺主要由圖形監(jiān)控 示教器、機械手（手部和運動機構(gòu)）和控制系統(tǒng)四大部分構(gòu) 成。1.1圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺功能及模塊 圖形監(jiān)控示教器：是人機交互（即運動軌跡的錄入、 編輯、儲存，支持的圖案元素，輸入方法為引導(dǎo)示教式）， 主要由pc、組態(tài)軟件和觸摸屏來實現(xiàn)。 機械手：主要由手部和運動機構(gòu)組成。1）手部是用來抓取工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓 持物件的形

8、狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種形式, 如夾持型、托持型和吸附型等，主要由氣缸、氣控機械抓手 來實現(xiàn)。2）運動機構(gòu)是使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù) 合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式；主要由電機、 步進電機及驅(qū)動模塊來實現(xiàn)。 控制系統(tǒng)：完成插補計算，脈沖輸出及與電機驅(qū)動器 信號的連接，位置測量，邏輯處理（限位信號，操作信號等）, 具有在線控制和離線控制功能（在線控制通過上位機控制軟 件實現(xiàn)控制，離線控制采用面板控制），主要由步進電機、 驅(qū)動模塊、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥、旋轉(zhuǎn)碼盤、單片機 及plc控制電路來實現(xiàn)。1.2圖形

9、監(jiān)控機械手教學(xué)平臺控制方式圖形監(jiān)控機械 手的控制方式為手動和自動兩種。工作過程為：進行手動控制時，手臂的升降、伸縮和腰部的回轉(zhuǎn)、夾鉗等 張合的各流程需要進行點動控制。 自動控制時，機械手首先回到初始位置，接著水平手 臂伸出，碰到限位開關(guān)后停止，然后垂直手臂下降，碰到下 限位開關(guān)停止運動，手爪電，夾緊工件，然后垂直手臂上升, 碰到上限位開關(guān)停止，腰部順時針旋轉(zhuǎn)，直到碰到限位開關(guān) 停止，手臂下降到下限位開關(guān)后，手爪電機反轉(zhuǎn)，松開工件, 最后垂直手臂再上升，水平手臂縮回，腰部逆時針旋轉(zhuǎn)，回 到初始狀態(tài)。整個過程實現(xiàn)了將工件從a位置搬運到b位置。2圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺系統(tǒng)設(shè)計 2.1圖形監(jiān)控機械手教

10、學(xué)平臺控制要求 圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺具有啟動、停止、水平移動（左移、右移）、垂直移動（上升、下降）、夾緊、放松等動 作功能。 可以通過啟動、停止按鈕控制機械手的啟動、停止。 機械手在原點位置，按下啟動按鈕后，機械手下降至工件處f夾緊工件f攜工件上升至上限位"右移至右限位 （下一個工位上方）一下降至指定位置一放下工件后f上升 至上限位f左移至左限位，回到原始位置。此過程反復(fù)循環(huán) 執(zhí)行。 機械手運動過程中，如果按下停止按鈕，機械手并不馬上停止，而是繼續(xù)工作，直到完成本周期操作，回到原始 位置，之后停止，不再循環(huán)。如果按下急停按鈕，機械手停 在當(dāng)前位置，解除急停后，按下復(fù)位按鈕，機械手復(fù)

11、位，停 在初始位置等待重新開始操作。 機械手的水平移動、垂直移動、夾緊、放松通過plc 控制的電磁閥實現(xiàn)。2.2圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺硬件設(shè)計圖形監(jiān)控機械 手教學(xué)平臺的控制系統(tǒng)一般包括兩個進步電機、一個直流電 機、一個電磁閥，該系統(tǒng)可以讓單臺plc進行多個對象控制, 只有適當(dāng)?shù)倪x用高性能的plc,才能實現(xiàn)該系統(tǒng)完全的控制 功能。為了師生直觀方便的使用，給予上位機/觸摸屏（圖 形監(jiān)控示教器）進行監(jiān)控，如圖2所示的控制結(jié)構(gòu)。用于發(fā) 訊息的開關(guān)如按鈕、光電開關(guān)和行程開關(guān)作為plc的輸入信 號，plc的輸出控制步進電機驅(qū)動器、繼電器和電磁閥，用 于完成手臂的升降/伸縮（左右）步進電機、手爪旋轉(zhuǎn)直流 電

12、機和手爪夾緊/放松等控制。圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺控制系統(tǒng)的核心是三菱fx1n-24mt型plc。該plc有14點輸入，10點輸出，輸出接口為晶體管型。步進電機、直流電機與plc 般是不直接相 連的，plc與步進電機驅(qū)動器、接觸器或者繼電器的線圈相 連。為了實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)及安全互鎖等問題，plc輸 出端子接中間繼電器，該繼電器為直流繼電器，具有4對常 開常閉觸點，額定電壓為12v,能夠滿足直流電機互鎖要求。圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺的控制系統(tǒng)中有兩個步進 電機、一個直流電機和一個電磁閥分別控制垂直手臂升降、 水平手臂伸縮（左右）、腰部旋轉(zhuǎn)和手爪夾緊/放松。垂直手 臂步進電機由升/降步進電機驅(qū)動

13、器控制上升和下降；水平 手臂步進電機由左/右步進電機驅(qū)動器控制手臂伸出和縮 回；腰部旋轉(zhuǎn)直流電機由繼電器分別控制順時針轉(zhuǎn)和逆時針 轉(zhuǎn)；手爪夾緊/放松由電磁閥分別控制夾緊和松開。同時為 腰部旋轉(zhuǎn)和手爪夾緊/放松輸出端設(shè)置了互鎖，這就實現(xiàn)了 腰部旋轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、手爪夾緊和放松之間的互鎖，防止輸 出相反的兩個繼電器和電磁閥同時為“on” o 圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺的控制系統(tǒng)還設(shè)置6個限位 開關(guān)，分別安裝在機械手的垂直手臂的最高位和最低位、水 平手臂的最長位和最短位、腰部兩側(cè)，用于檢測機械手的位 置，機械手手爪的夾緊/放松由plc內(nèi)部的時間繼電器控制。 為了便于生產(chǎn)加工和維修、調(diào)整，設(shè)置了工作方式選

14、擇開關(guān)。當(dāng)開關(guān)置于“自動”位時，機械手將工件從一個位 置搬運到指定位置卸下，并返回原位等待下一個工件到來， 全部自動進行；置于“手動”位時，通過按鈕機械手垂直手 臂的升降、水平手臂的伸縮、腰部的旋轉(zhuǎn)、手爪的放松、夾 緊等各動作流程進行點動控制。同時，為了保證在緊急情況 下（包括plc發(fā)生故障時）能可靠地切斷plc的負載電源， 設(shè)置了交流接觸器，在plc開始運行時按下"負載電源”按 鈕，使交流接觸器線圈得電并自鎖，交流接觸器的主觸點接 通，出現(xiàn)緊急情況時用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。2.3圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺軟件設(shè)計圖形監(jiān)控機械 手教學(xué)平臺運行方式有兩種，首先在控制面板上或圖形監(jiān)控

15、 示教器選擇運行方式，如果選擇了 “手動”方式，程序按照 手動程序運行，如果選擇''自動"方式，程序首先檢查機械 手是否位于原點位置，也就是滿足初始狀態(tài)，滿足的話則進 入自動運行程序，不滿足的話先完成回原點程序再進行自動 程序的運行?？刂葡到y(tǒng)的流程圖如圖3所示。2.4圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計（圖形監(jiān)控示教器）2.4. 1實現(xiàn)機圖形監(jiān)控械手教學(xué)平臺運行的動態(tài)演示 組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)，人機界面技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù),控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠 某種具體的計算機語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可 完成監(jiān)控軟件設(shè)計，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)難度。

16、組態(tài)軟件擁 有豐富的工具箱、圖庫和操作向?qū)?，使開發(fā)人員避免了軟件 設(shè)計中許多重復(fù)性的開發(fā)工作，可提髙開發(fā)效率，縮短開發(fā) 周期，已成為監(jiān)控系統(tǒng)主要的軟件開發(fā)工具之一。組態(tài)軟件提供了多種控制器件庫、圖形控制和功能組 件，可組態(tài)各種顯示與控制功能，創(chuàng)建畫面和信息并將其與 plc程序鏈接，以圖形形式顯示系統(tǒng)操作狀態(tài)、當(dāng)前過程值 及故障信息，提供友好的人機界面來操作被監(jiān)控的設(shè)備或系 統(tǒng)，對plc系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、處理, 滿足各種監(jiān)控要求。利用組態(tài)軟件創(chuàng)建一個工程項目，在工程項目中創(chuàng)建一 個“初級演示”畫面，在“初級演示”畫面上可以設(shè)計如圖 4所示的圖形監(jiān)控械手教學(xué)平臺監(jiān)控示意圖，再設(shè)

17、置垂直手 臂升降、水平手臂伸縮（左右）、手爪夾緊/放松、工件、運 行標(biāo)志a、次數(shù)a等內(nèi)存變量，設(shè)置矩形a、b、c等圖形部 件相關(guān)的動畫組態(tài)，并設(shè)計初級演示畫面的命令語言程序，反復(fù)調(diào)試，完成該工程項目的組態(tài)。2.4.2圖形監(jiān)控示教器控制plc實現(xiàn)機械手動作利用組態(tài)軟件在工程瀏 覽器中創(chuàng)建一個"簡易控制”畫面，在"簡易控制”畫面可 以設(shè)計如圖5所示的圖形監(jiān)控機械手教學(xué)平臺控制圖。將三菱fx系列plc與計算機或觸摸屏的com 口連接,在工程瀏覽器中配置設(shè)備三菱plc,再設(shè)置放松、夾緊、下 移、上移、右移、左移等變量，這些變量分別與三菱plc的 輸出端相關(guān)聯(lián)，設(shè)置運行標(biāo)志b、次數(shù)b

18、等內(nèi)存變量。設(shè)置 圖形部件、指示燈等圖素相關(guān)的動畫組態(tài)，并設(shè)計控制畫面 的命令語言程序，反復(fù)調(diào)試，完成“控制”畫面的組態(tài)。運行該工程項目，打開“簡易控制”畫面，可實現(xiàn)圖形監(jiān)控械手教學(xué)平臺控制運行的仿真動態(tài)演示。運行過程中， 伴隨機械手的動作，相關(guān)的指示燈點亮或熄滅。2.4.3實現(xiàn)圖形監(jiān)控示教器與plc聯(lián)動的仿真教學(xué)利 用組態(tài)軟件在工程瀏覽器中創(chuàng)建一個“仿真控制”畫面，在仿真控制”畫面可以設(shè)計如圖6所示的圖形監(jiān)控機械手教 學(xué)平臺仿真控制圖。設(shè)置運行標(biāo)志c、次數(shù)c等內(nèi)存變量。打開圖庫，選擇 開關(guān)圖形，在六個指示燈旁放置六個開關(guān)。根據(jù)簡易機械手 的控制要求，在plc內(nèi)編制圖形監(jiān)控械手教學(xué)平臺控制程序。 設(shè)置圖形部件、指示燈、開關(guān)等圖素相關(guān)的動畫組態(tài)，并設(shè) 計仿真控制畫面的命令語言程序，反復(fù)調(diào)試，完成“仿真控 制”畫面的組態(tài)