基于触摸屏的机械手虚拟设计

王二敏　马前帅

摘要：文章介绍了机械手虚拟装置的整体结构设计和实现，完成了机械手电气气动系统设计、PLC控制系统设计、触摸屏设计和通信设计。机械手虚拟装置的设计融入了CDIO工程教育理念、动手动脑全面发展的学习概念。机械手虚拟装置满足了机电气人才培养的需要，已广泛推广于各高等院校，对于在校学生、教师以及工程技术人员研究机器人技术有极大的促进作用。

关键词：机械手；电气气动；PLC；触摸屏；通信

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0156-02

0 引言

随着科技的不断发展，气动技术已被应用在社会的方方面面，如医疗领域、工业自动化领域、机器人仿生领域等。目前，电气气动控制系统在工业自动化领域占主要地位，其中，机械手的应用最为广泛，如在可乐饮料生产线中，利用机械手对饮料瓶的位置调整；在物流生产线中，利用机械手对物件进行码垛等。因此，以机械手为例研究电气气动技术具有很高的研究价值。现今，中國职业技术教育正在蓬勃发展，学校志在培育铸就适应中国制造的合格人才。推进产教融合模式，促进科技创新型人才的培养，研发的设备要求在设计时融入CDIO工程教育理念、动手动脑全面发展的学习概念，触摸屏的可视化界面可以满足这一要求。触摸屏是一种直观、简单的人机交互方式，在工业控制系统中广泛应用。本文介绍了基于触摸屏的机械手虚拟设计结构和控制系统的实现，触摸屏画面模拟实际的工程项目案例，用PLC程序控制技术实现机械手自动搬运物料的功能。

1 总体方案研究

1.1 整体方案的设计

基于社会的发展对创新性人才的需求，对本文所设计的虚拟机械手装置提出几点要求：（1）综合性强。主系统为电气气动系统，控制系统为PLC控制和传感器技术相结合，触摸屏界面可以再现模拟工程案例；（2）功能性强。为了培养学生的人际交往能力、项目开发能力和工程创新能力，为实现小组探究式学习提供了硬件条件；（3）操作性强。触摸屏界面采用图形化语言设计，简单、明了。

结合上述要求，制定了实现机械手虚拟设计的整体设计方案[1]，如图1所示。该装置由气动控制、电气控制、触摸屏、通信等模块单元组合而成。学员可通过操作触摸屏上的按钮，选择要设计的工程项目案例，然后，进行气动控制回路的设计与搭建，通过PLC控制器实现数据交互功能。考虑到提高场地的利用率，此装置设计为箱体结构。

1.2 参数的确定

为了满足上述需求，以及考虑到元件的使用寿命，得到了该装置的技术参数。（1）装置箱体尺寸。长40cm，宽30cm，高10cm；（2）装置重量。<50kg；（3）气源压力和流量。P=0.7MPa，Q=24.5L/min；（4）电源。～220V/+24V。

2 机械结构的整体设计

基于触摸屏的机械手虚拟装置设计为箱体结构，在箱体左侧留有～220V电源接口和以太网通信口。具体的整体结构设计如图2所示。

2.1 机械结构中电气气动主系统的设计

（1）气动系统组成[2]。动力元件、控制元件、执行元件和辅助装置等四部分组成。动力元件包括空气压缩机和储气罐，用来将机械能转化为气体的压力能。控制元件包括各种阀，用来控制和调节气体的压力、流量和方向。执行元件包括气缸和马达，用来将气体的压力能转化为机械能。辅助元件包括连接气管、管接头和调理装置等。（2）机械手气动部分设计[3]。气动元件有：过滤调压组件（排水过滤除去压缩气体中的灰尘、管垢、锈沫、冷凝物；减压稳压补偿压力浮动）、分气块（8个独立通道供给系统气源）、电磁换向阀（提供的电压信号为+24V）、单向节流阀（排气节流）和气缸（执行动作输出）等。（3）气动元件安装。根据气动元件的安装方式，确定了气动训练装置中气动控制系统的机械结构，即采用开槽9mm的铝合金底板。具体电气气动控制机械结构图如图3所示。

2.2 机械结构中PLC控制系统设计

机械结构中PLC控制系统由显示单元（触摸屏）、PLC300、检测单元（传感器）和电源（～220V和+24V）四部分组成。此外装置中设有I/O端口，用于完成触摸屏与PLC之间的数据交换功能。

3 结语

利用PLC技术和触摸屏的可视化界面可以形象生动的再现工程应用案例。物流自动搬运机械手工程案例，运用了PLC技术、气动技术、传感器技术、人机交互技术和通信技术，是一项多技术的综合应用。此外，该装置具有结构简单、体积小、灵活性大等优点，可应用于教学、科研、技能鉴定等多方面。

参考文献

[1] 李允文.工业机械手的设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2] 许福玲，陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 何玉辉.生产线搬运机械手控制系统研究[D].西南石油大学，2016.

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