基于觸摸屏的機(jī)械手虛擬設(shè)計

王二敏　馬前帥

摘要：文章介紹了機(jī)械手虛擬裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，完成了機(jī)械手電氣氣動系統(tǒng)設(shè)計、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、觸摸屏設(shè)計和通信設(shè)計。機(jī)械手虛擬裝置的設(shè)計融入了CDIO工程教育理念、動手動腦全面發(fā)展的學(xué)習(xí)概念。機(jī)械手虛擬裝置滿足了機(jī)電氣人才培養(yǎng)的需要，已廣泛推廣于各高等院校，對于在校學(xué)生、教師以及工程技術(shù)人員研究機(jī)器人技術(shù)有極大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電氣氣動；PLC；觸摸屏；通信

中圖分類號：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0156-02

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，氣動技術(shù)已被應(yīng)用在社會的方方面面，如醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)自動化領(lǐng)域、機(jī)器人仿生領(lǐng)域等。目前，電氣氣動控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域占主要地位，其中，機(jī)械手的應(yīng)用最為廣泛，如在可樂飲料生產(chǎn)線中，利用機(jī)械手對飲料瓶的位置調(diào)整；在物流生產(chǎn)線中，利用機(jī)械手對物件進(jìn)行碼垛等。因此，以機(jī)械手為例研究電氣氣動技術(shù)具有很高的研究價值。現(xiàn)今，中國職業(yè)技術(shù)教育正在蓬勃發(fā)展，學(xué)校志在培育鑄就適應(yīng)中國制造的合格人才。推進(jìn)產(chǎn)教融合模式，促進(jìn)科技創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，研發(fā)的設(shè)備要求在設(shè)計時融入CDIO工程教育理念、動手動腦全面發(fā)展的學(xué)習(xí)概念，觸摸屏的可視化界面可以滿足這一要求。觸摸屏是一種直觀、簡單的人機(jī)交互方式，在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。本文介紹了基于觸摸屏的機(jī)械手虛擬設(shè)計結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，觸摸屏畫面模擬實(shí)際的工程項目案例，用PLC程序控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動搬運(yùn)物料的功能。

1 總體方案研究

1.1 整體方案的設(shè)計

基于社會的發(fā)展對創(chuàng)新性人才的需求，對本文所設(shè)計的虛擬機(jī)械手裝置提出幾點(diǎn)要求：（1）綜合性強(qiáng)。主系統(tǒng)為電氣氣動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)為PLC控制和傳感器技術(shù)相結(jié)合，觸摸屏界面可以再現(xiàn)模擬工程案例；（2）功能性強(qiáng)。為了培養(yǎng)學(xué)生的人際交往能力、項目開發(fā)能力和工程創(chuàng)新能力，為實(shí)現(xiàn)小組探究式學(xué)習(xí)提供了硬件條件；（3）操作性強(qiáng)。觸摸屏界面采用圖形化語言設(shè)計，簡單、明了。

結(jié)合上述要求，制定了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手虛擬設(shè)計的整體設(shè)計方案[1]，如圖1所示。該裝置由氣動控制、電氣控制、觸摸屏、通信等模塊單元組合而成。學(xué)員可通過操作觸摸屏上的按鈕，選擇要設(shè)計的工程項目案例，然后，進(jìn)行氣動控制回路的設(shè)計與搭建，通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能?？紤]到提高場地的利用率，此裝置設(shè)計為箱體結(jié)構(gòu)。

1.2 參數(shù)的確定

為了滿足上述需求，以及考慮到元件的使用壽命，得到了該裝置的技術(shù)參數(shù)。（1）裝置箱體尺寸。長40cm，寬30cm，高10cm；（2）裝置重量。<50kg；（3）氣源壓力和流量。P=0.7MPa，Q=24.5L/min；（4）電源?！?20V/+24V。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計

基于觸摸屏的機(jī)械手虛擬裝置設(shè)計為箱體結(jié)構(gòu)，在箱體左側(cè)留有～220V電源接口和以太網(wǎng)通信口。具體的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)中電氣氣動主系統(tǒng)的設(shè)計

（1）氣動系統(tǒng)組成[2]。動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助裝置等四部分組成。動力元件包括空氣壓縮機(jī)和儲氣罐，用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能?？刂圃ǜ鞣N閥，用來控制和調(diào)節(jié)氣體的壓力、流量和方向。執(zhí)行元件包括氣缸和馬達(dá)，用來將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。輔助元件包括連接氣管、管接頭和調(diào)理裝置等。（2）機(jī)械手氣動部分設(shè)計[3]。氣動元件有：過濾調(diào)壓組件（排水過濾除去壓縮氣體中的灰塵、管垢、銹沫、冷凝物；減壓穩(wěn)壓補(bǔ)償壓力浮動）、分氣塊（8個獨(dú)立通道供給系統(tǒng)氣源）、電磁換向閥（提供的電壓信號為+24V）、單向節(jié)流閥（排氣節(jié)流）和氣缸（執(zhí)行動作輸出）等。（3）氣動元件安裝。根據(jù)氣動元件的安裝方式，確定了氣動訓(xùn)練裝置中氣動控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即采用開槽9mm的鋁合金底板。具體電氣氣動控制機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)中PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械結(jié)構(gòu)中PLC控制系統(tǒng)由顯示單元（觸摸屏）、PLC300、檢測單元（傳感器）和電源（～220V和+24V）四部分組成。此外裝置中設(shè)有I/O端口，用于完成觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)交換功能。

3 結(jié)語

利用PLC技術(shù)和觸摸屏的可視化界面可以形象生動的再現(xiàn)工程應(yīng)用案例。物流自動搬運(yùn)機(jī)械手工程案例，運(yùn)用了PLC技術(shù)、氣動技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和通信技術(shù)，是一項多技術(shù)的綜合應(yīng)用。此外，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于教學(xué)、科研、技能鑒定等多方面。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：This paper introduces the overall structure design and realization of the manipulator virtual device， and completes the design of pneumatic system， PLC control system design， touch screen design and communication design. The design of manipulator virtual device incorporates the concept of education in CDIO engineering and the learning concept of comprehensive development. Virtual manipulator device meets the need of electrical personnel training， has been widely promotion in various colleges and universities， for students， teachers， and engineering and technical personnel study robot technology has a great role in promoting.

Key words：manipulator；Electrical pneumatic； PLC； touch screen； communication