滨江农业职业技术学院
毕业论文（设计）
课题名称
专业及班级 学
姓号 名 三菱触摸屏在气动机械手中的应用
指导老师
2014年3月20日
三菱触摸屏在气动机械手中的应用
摘 要
本文通过对三菱触摸屏在气动机械手电气操纵控制系统应用的工程实践，介绍了气动机械手的设计过程。文中对三菱触摸屏画面制作、机械手的动作过程、气动控制技术、PLC 控制技术、传感器技术等方面进行了详细的介绍。它采用顺序功能图的设计方法, 实现了气动机械手的手动、自动、单周期、单步、连续循环等多种工作模式，并给出了PLC 外部接线图。各种工艺参数的设定都可以在触摸屏上直接操作，使得用PLC 设计的气动机械手具有操纵方便、互动性好、动作可靠、运行平稳，抗干扰能力强的特点，明显优于传统继电控制系统。因此，在工业控制中得到了广泛的应用。
关键词 三菱触摸屏 气动机械手 PLC 顺序功能图
Mitsubishi touch screen in the application
of the pneumatic manipulator
Abstract
In electric pneumatic manipulator based on the Mitsubishi touch screen operation control system application of engineering practice, this paper introduces the design process of pneumatic manipulator. Mitsubishi touch screen images of the production, the action process of manipulator, pneumatic control technology, PLC control technology, sensor technology and so on has carried on the detailed introduction. Sequence function diagram design method was adopted to realize the pneumatic manipulator manual, automatic, single cycle, single step, continuous cycle and so on the many kinds of working mode of operation, and outer wiring diagram of PLC is presented. Various process parameters can be directly on the touch screen operation, making use of PLC design of pneumatic manipulator has good manipulation convenient, interactive, reliable, stable operation, the characteristics of strong anti-interference ability, is superior to the traditional relay control system. As a result, has been widely used in industrial control.
Key words : Mitsubishi touch screen Pneumatic manipulator PLC Sequence function diagram
目 录
1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2 气动机械手的结构与工作过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1 气动机械手的结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.2 气动机械手的工作过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 3 气动机械手的气路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
3.1 气动机械手常用的气动元件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
3.2 气动机械手气动回路控制原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„8 4 气动机械手控制系统硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.1 PLC的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.2 传感器的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.3 气动机械手I/O分配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
4.4 气动机械手电气控制系统原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„15 5 气动机械手控制系统软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.1 PLC软件设计方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.2 气动机械手的自动工作流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.3 气动机械手的SFC 图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
5.4 气动机械手的PLC 程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 6 三菱触摸屏„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.1 三菱触摸屏简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.2 触摸屏的主要类型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.3 触摸屏的画面制作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 7 触摸屏和气动机械手的调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
7.1 通电前设备检查„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
7.2 设备调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 全文总结 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37
1 绪论
随着科学技术的发展，电气自动化水平在不断提高，应用也普遍的广泛。传统的开关信号主要由操作台上的按钮产生输入信号传到PLC ，而监视信号一般采用外接输出信号连接LED 灯或者外接显示器传到PLC 。大量的输入输出信号的电气连线使系统设计变得复杂而且降低了可靠性。而触摸屏可以很好的解决I/O信号的操纵、监视的问题，同时其人机界面也更丰富友好。
机械手是一种模仿人手动作, 并按设定程序、轨迹和要求代替人抓 ( 吸) 取，搬运工件或工具的自动化装置。气动机械手是采用PLC 控制及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上, 与其他类型的机械手相比, 气动机械手具有结构简单、容易控制的特点, 其气动部件已系列化和组立化, 便于设计与维护。由于气动机械手这些特点, 气动机械手在自动化生产中的应用已日益广泛。
本文将触摸屏和气动机械手有机结合, 使得该系统简单方便易于操作，而且该控制原理具有通用性。
2 气动机械手的结构与工作过程
2.1 气动机械手的结构
由气爪、升降气缸、伸缩机构、转动气缸、托链等部分组成，将机械和电气有机组合在一起，实现点位控制。
（1）气爪单元
包括气爪、手指及位置检测传感器，主要功能是抓取或释放工件。
（2）升降单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的升降，以便于工件的输送。
（3）伸缩单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的伸缩，以便工件的输送。
（4）转动单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的旋转，以便于工件的输送。
（5）托链
内部放置传感器电缆及气管。
2.2 气动机械手的工作过程
起初在初始位置，按下启动按钮，四自由度机械手开始运行，首先气爪开始下降，到位后停止；气爪开始抓取工件，抓稳后，气爪开始上升，到位后停止；摆动臂开始顺时针旋转，旋转180º，到位后停止；摆动臂又开始伸出，到位后停止；气爪又开始下降，到适合释放工件位停止；气爪又开始张开，释放工件；工件完全释放后，气爪又开始上升，到位后停止；气爪开始收拢，到位后停止；摆动臂又开始缩回，到位后停止；摆动臂又开始逆时针旋转，旋转180º，到位后停止，即回到了原点。
自动操作有三个选择：连续、单周期、单步。连续：机械手在运行执行过程中按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止，如果不按停止按钮回到原点后继续上述运行过程，往复循环。单周期：机械手在运行执行过程中按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止，只会运行一次。单步：机械手在运行执行过程中只有按下单步启动按钮才会运行，按下一次运行一个动作, 按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止。此过程中设置急停按钮，在任何时候都可以停止。 手动操作：按相应的按钮会发生相应的动作。
3 气动机械手的气路设计
3.1 气动机械手常用的气动元件
（1）气源处理装置
气源处理组件及其回路原理图分别如3.1（a ）（b ）所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。在气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拨出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。
图3.1 气源处理组件
气源处理组件输入的气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa, 输出压力为0～0.8MPa （可调）。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。
（2）标准双作用直线气缸
气动机械手的夹紧气缸和推料气缸都是标准双作用直线气缸。
标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。
双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。图3.2是标准双作用直线气缸的半剖面图。图3.2中气缸的两个端盖上都设有进排气通口，从无杆侧
端盖气口进气时，推动活塞向前运动；反之，从杆侧端盖气口进气时，推动活塞向后运动。
双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。
图3.2 标准双作用直线气缸
为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节流阀来实现。
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。
图3.3给出了在双作用气缸上装上两个单向节流阀的连接示意图，这种连接方式称为排气节流方式。即：当压缩空气从A 端进气从B 端排气时，单向节流阀A 的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气；由于单向节流阀B 的单向阀关闭，有杆腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀B 的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。反之，调节节流阀A 的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。这种控制方式是最常用的方式。
图3.3 节流阀连接和调整原理示意
单向节流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。图3.4
是安装了带快速接头的限出型
气缸节流阀的气缸外观。
图3.4 安装上气缸节流阀的气缸
（3）单电控电磁换向阀、电磁阀组
如前所述，气动机械手中的气缸，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制, 在自动控制中，方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制，称为电磁换向阀。
电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改变气流方向的目的。图3.5所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。
图3.5 单电控电磁换向阀的工作原理
所谓“位”指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所在的不同的工作位置。“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。图3.6(a)中，只有两个工作位置，具有供气口P 、工作口A 和排气口R ，故为二位三通阀。
图3.6(a)(b)(c)分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“┯”和“┷”符号表示各接口互不相通。
图3.6 部分单电控电磁换向阀的图形符号
机械手的执行气缸都是双作用气缸，因此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。
气动机械手用了三个二位五通的单电控电磁阀，这两个电磁阀带有手动换向钮和加锁钮，有锁定（LOCK ）和开启（PUSH ）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK 位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作, 只有在PUSH 位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变机械手等执行机构的控制，达到调试的目的。
两个电磁阀是集中安装在汇流板上的，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气向大气排放时的噪声。这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。电磁阀组的结构如图3.7所示。
图3.7 电磁阀组
（4）气动手指（气爪）
气爪用于抓取、夹紧工件。气爪通常有滑动导轨型、支点开闭型和回转驱动型等, 机械手中采用的是滑动导轨型气动手指, 如图3.8（a ）所示。其工作原理可从其中剖面图(b)和(c)看出。
图3.8 气动手指实物和工作原理
3.2 气动机械手气动回路控制原理图
机械手气动控制回路主要控制的是转动执行机构，转动执行机构包括：转动执行机构（转动气缸）、伸缩执行机构（伸缩气缸）、气爪升降执行机构（升降气缸）、气爪张合执行机构（气爪气缸），通过四个气缸驱动机械传动机构。
原理:通过四自由度机械手摆臂转动控制机构，伸缩控制机构，准确捕捉到工件所处位置，由气爪升降控制机构控制气爪，下降到适合抓取工件的位置，然后由气爪张合控制机构，控制气爪抓取工件，然后再由气爪升降控制机构控制气爪上升到位后、再由摆臂转动控制机构的转动、伸缩控制机构的伸缩控制，准确捕捉到工件所需存放的位置，再由气爪升降控制机构控制气爪下降到适合释放工件的位置后，气爪张合控制机构控制气爪张开释放工件，完成工件搬运任务，然
后再由气爪升降控制机构控制气爪上升到位后重复上述过程。根据以上控制要求，设计出气动回路控制原理图如图3.9所示
图3.9 气动回路原理图
4 气动机械手控制系统硬件设计
4.1 PLC的选择
在我国，三菱可编程序控制器是使用最广的PLC 种类之一，主要产品有F 、F 1、F 2系列，FX 0，FX 2，FX 0N ，FX 2N 系列等。
FX 2系列由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元（模块）构成。 基本单元（Basic Unit）包括CPU 存储器输入输出和电源，它是PLC 的主要部分，扩展单元（Extension Unit）是用于增加I/O点数的装置，装置内部没有电源，扩展模块（Extension Module）用于产加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供给。因扩展单元和扩展模块无CPU ，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元（Special Function）是一些特殊用途的装置。 （1）确定所需要的I/O 点个数
根据上述要求，PLC 需要输入以下信号：三个用来检测机械手运动状态的传感器信号，分别用来检测机械手摆臂摆动的极限吸气放气状态传感器信号；一个工件松放到位与否的传感器信号; 根据系统的控制要求, 需要START( 启动) ﹑RESET( 复位) 和STOP( 停止) 三个按钮信号以及一个直流继电器信号；一个用来控制机械手运行方式的AUTO/MAN( 自动/手动) 开关信号。PLC 需要输出以下信号：用来驱动气缸﹑放气的电磁阀需要的两个输出信号，两个用来显示工作状态(START、RESET 指示灯) 的信号， 分别用来指示START 、RESET 按钮的工作状态。根据上述要求， 应选用输入点的个数≥9﹑输出点的个数≥6 的PLC 。 （2） 程序存储器容量的选择由系统的控制要求及上述分析可知, 该系统不需要模拟量变换及存储, 仅需要15个开关量控制，因此可以估算:存储器字节数≥开关量I /O 总数×8=15 ×8 =120字节。
基于以上分析，气动机械手控制应采用FX 2—32MR 的PLC 。
4.2 传感器的选择
气动机械手使用的传感器是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体所产生的信号，来识别物体，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接
近开关。
接近传感器有多种检测方式，包括捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件的方式等等。接近传感器所使用的是磁感应式接近开关（或称磁性开关）、电感式接近开关等。这里只介绍气动机械手中使用的磁性开关、电感式接近开关。 （1）磁性开关
使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场，而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。
有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件，舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。图4.1是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC 的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。
图4.1 带磁性开关气缸的工作原理图
在磁性开关上设置的LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。
磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。
磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公
共端，棕色引出线应连接到PLC 输入端。磁性开关的内部电路如图4.2中虚线框内所示，为了防止错误接线损坏磁性开关，所有磁性开关的棕色引出线都串联了电阻。
图3.2 磁性开关内部电路
（2）电感式接近开关
电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。
利用这一原理，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图4.3所示。
图4.3 电感式传感器原理框图 图 4.4 接近传感器的实物图
在气动机械手中，使用了电感式接近开关来实现初始位置的检测，图4.4是接近传感器的实物图。
在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图4.5所示。
图4.5 安装距离注意说明
接近开关的图形符号：
部分接近开关的图形符号如图4.6所示。图中(a)(b)(c)三种情况均使用NPN 型三极管集电极开路输出，如果是使用PNP 型的，正负极性应反过来。
图4.6 接近开关的图形符号
通过以上分析，各气缸的检测均采用接近开关，型号为FESTO.525907，初始位置的检测采用电感式接近开关。
4.3 气动机械手I/O分配
根据气动机械手的动作要求进行输入/输出口的分配，其气动机械手的输入/输出如表4.1所示。
表4.1 I/0分配表
4.4 气动机械手电气控制系统原理图
根据气动机械手的输入/输出分配，设计气动机械手控制原理图如图4.2所示。
0V
图4.2 气动机械手电气控制原理图
5 气动机械手控制系统软件设计
5.1 PLC软件设计方法
PLC 程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
（1）经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。
（2）继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC 的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
（3）顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成, 此法的关键是画出功能流程图。
（4）逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来, 实际上就找到了输出和输入的关系，完成了设计任务, 用这种方法设计PLC 程序，设计者可以顺利地设计出结果正确的PLC 程序。
由于气动机械手的动作过程符合顺序控制图的设计，因此，本论文采用顺序功能图法设计了气动机械手的整个动作流程。
5.2 气动机械手的自动工作流程图
根据气动机械手的动作过程，画出机械手自动工作流程图如图5.1所示。
图5.1 工作流程图
5.3气动机械手的SFC 图
根据要求设计出该系统的SFC 图，如下图5.2所示。
图5.2 气动机械手的SFC 图
5.4气动机械手的PLC 程序
根据气动机械手SFC 图，转换成PLC 梯形图如图5.3所示。
图5.3 气动机械手梯形图
6 三菱触摸屏
6.1 三菱触摸屏简介
为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU ，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。
三菱触摸屏来到中国有20多年的历史，现在市场上主要使用的有以下系列： GT1150系列、GT1155系列、GT1175系列、GT1575系列、GT1585系列、GT1595系列、A970GOT 系列、A975GOT 系列、A985GOT 系列、F930GOT 系列、F940GOT 系列。
6.2 触摸屏的主要类型及选择
（1）电阻式触摸屏
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI ，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI ，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸) 的透明隔离点把它们隔开绝缘。
（2）电容式触摸屏
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。 （3）红外线式触摸屏
该触摸屏由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在屏幕表面上，形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要
优点是价格优惠、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。
（4）表面声波触摸屏
表面声波是一种沿介质表面传播的机械波，该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。 （5）压电式触摸屏
电阻式设计简单，成本低，但电阻式触控较受制于其物理局限性，如透光率较低，高线数的大侦测面积会造成处理器负担，其应用特性使之易老化从而影响使用寿命。电容式触控支持多点触控功能，拥有更高的透光率、更低的整体功耗，其接触面硬度高，无需按压，使用寿命较长，但精准度不足，不支持手写笔操控，于是衍生了压电式触摸屏。
基于本设计的要求，本人选择红外线式触摸屏。
6.3 触摸屏的画面制作
1、新建工程
（1）选择工程
启动GT Designer2，点击“新建”按钮，显示如图6.1所示画面，点击“新建”按钮，“打开”按钮用于已创建的工程。
图5.1 新建工程
（2）选择显示新建工程向导
显示如图6.2所示画面，点击“下一步”按钮，如果在“显示新建工程向导”的选择框内取消钩选，下一次新建工程将不显示该工程向导。
图5.2显示新建工程向导
（3）选择所使用的GOT 的类型
显示如图6.3所示画面(GOT 的系统设置) 后，选择所使用的GOT 的类型及颜色设置。
GOT 类型: GT1175-V(640 480) 颜色设置: 256色
选择结束后，点击“下一步”按钮。
图5.3 GTO类型选择
（4）GTO 类型确定
显示如图6.4所示画面(GOT的系统设置) 后，确认后点击“下一步”按钮。
图5.4 GTO类型确定
（5）选择与GOT 相连接的机器
显示如图6.5所示画面( 连接机器设置(第1台)) 后，选择与GOT 相连接的机器，选择结束后，点击“下一步”按钮。
连接机器类型
: MELSEC-FX
图5.5 连接机器类型
（6）选择MELSEC-FX 的连接I/F
显示如图6.6所示画面( 连接机器设置(第1 台)) 后，选择MELSEC-FX 的连接I/F，选择结束后，点击“下一步”按钮。
I/F: 标准I/F-1
图5.6 I/F确定
（7）选择通讯驱动程序
显示如图6.7所示画面( 连接机器设置(第1 台)) 后，选择MELSEC-QnA/Q 的通讯驱动程序。
选择结束后，点击“下一步”按钮 通讯驱动程序
: MELSEC-FX
图5.7通讯驱动程序
（8）确定通讯驱动程序
显示如图6.8所示画面(连接机器设置(第1台)) 后，确认后点击“下一步”按钮。
图5.8 通讯驱动程序确定
（9）设置“切换软元件”
显示如图6.9所示画面( 画面切换软元件的设置) 后，设置“基本画面”的“切换软元件”。
设置结束后，点击“下一步” 按钮。 基本画面切换软元件: GD100
注：GD100是GT1175-V(640 480)的内部画面寄存器
图5.9 画面切换软元件设置
（10）系统环境的设置确认将显示如图6.10所示画面(系统环境的设置确认) ，确认后，点击“完成”按钮。
图5.10 系统环境设置确认
2、制作触摸屏画面
基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用设置有三个画面，画面1为系统首页画面，介绍了系统的名称和指导人、制作人；画面2为主操作页面，是该系统手动控制页面，由该页面可以进入自动控制页面和返回首页；画面3为自动操作页面，主要设置了自动控制的相关按钮。
系统首页画面如图6.11所示。该界面中包括1个画面切换按钮、指导人和制作人显示框、以及矩形框、线条和图片。
图6.11触摸屏画面1
基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用系统中，主要负责控制系统手动运行模式。触摸屏的画面2如图6.12所示。
图6.12触摸屏画面2
手动操作页面中包括的内容有升降开关、夹紧开关、伸缩开关、转回开关、转出开关画面切换开关；指示灯有升降、夹紧、伸缩、转回指示灯、转出指示灯。画面切换开关：切换到首页页面和自动控制页面以及组成画面所需的矩形框、线条和文本。人机画面2中各个元件对应的PLC 地址如表6（1）所示。
表6（1） 触摸屏画面2元件地址
点击手动/自动旋钮进入手动页面，手动页面在基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用系统中，负责手动控制系统运行模式。如表6（2）所示为触摸屏画
面3与PLC 的关联表，功能键“”不仅可以将画面切换到画面2，同时也将
触摸屏手动/自动切换开关切换回自动档上。触摸屏画面3如图6.13所示。
图6.13触摸屏画面3
自动操作页面中包括的内容有启动按钮、停止按钮、复位按钮、急停按钮、连续运行、单周期运行、单步运行、单步启动按钮、手动自动选择按钮；指示灯有启动、停止、复位、单周期、连续单步指示灯；以及组成画面所需的矩形框、线条和文本。人机画面3中各个元件对应的PLC 地址如表6（2）所示。
表6（2） 触摸屏画面3元件地址
7 触摸屏和气动机械手的调试
7.1 通电前设备检查
（1）气路检查
检查气源是否引入装置；空气组合元件是否有作用，且压力表调至0.4Mpa ；检查气路是否接错；手动动作电磁阀，调节节流阀流量，使气缸动作正常。 （2）传感器检查
气缸到位后，磁性开关是否动作；数字式压力开关设定值是否正确，压力达到设定值，开关是否动作，各传感器接线是否正确。 （3）按钮检查
动作按钮，触点是否动作，接线是否正确。
7.2 设备调试
可首先通过仿真软件，模拟设备控制过程进行调试，确定程序是否符合工艺要求，再连至机械手上进一步调试。 （1）程序下载
将已编制好的程序编译后，通过USB 下载到PLC 中。 （2）程序运行
拨动RUN/STOP开关或通过编程软件, 将PLC 处于运行状态。 （3）操作设备
设备送电、送气，用三菱触摸屏控制按钮，按下复位按钮，设备处于准备状态，按启动按钮，看能否实现所要现象，出现紧急情况，按下急停按钮。 （4）程序监控
设备运行过程监控程序，监测各输入输出点状态是否正确，编程逻辑是否能实现控制要求。 （5）修改程序
在监控过程中，如发现控制要求不能满足，可修改程序再进入（1）步骤，直至符合要求。
全 文 总 结
经过两个月的设计，气动机械手PLC 控制系统的程序已经成功通过了模拟调试，证明本设计的硬件、软件部分基本能达到预期的效果，能可靠的控制气动机械手动作，达到气动机械手所要求的技术技能。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的认识的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行系统的设计与开发有了深刻的认识，对气动机械手的工作原理有了进一步的掌握并在学习和实践的过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的工作。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题要不断的探索，只有这样问题才能解决。
同时在本次设计中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性，虽然之前收集了大量的资料，但在实际应用中却有很大的差异，出现了许多意想不到的问题，但经过长时间的摸索，最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力，不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。
致 谢
本文是在顾诚甦老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计过程中，顾老师在各方面给予了我无尽的关心、帮助和教诲，是本次毕业设计能顺利完成的关键。她严谨的治学作风和求实的工作态度深深的影响了我，这对我以后的学习、生活和工作都会有莫大的帮助，谨向顾老师表示最崇高的敬意和衷心的感谢！
在南通农业职业技术学院学习的三年中，各位老师都给了我很大的帮助，他们无微不至的关怀，细心的教导，使我在求学过程中受益匪浅，我所获得的荣誉都源于你们，忠心感谢你们！
最后，感谢各位关心、支持和帮助过我的老师们和同学们，让我终身难忘！
参 考 文 献
[1] 曾实现， 薛蕊. FX2N 系列PLC 实现机械手的设计 (山东省青岛黄海职业学院 山东青岛 266427)。 2009年
[2] 严盈富. 触摸屏与PLC 入门[M].北京：人民邮电出版社。2006年
[3] 张慧鹏，刘小琴，贾毅朝. 基于PLC 控制的工业机械手设计（运城学院机电工程系，山西运城044000）。2009年
[4] 刘军，刘广瑞. 基于PLC 控制的气动机械手 (郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）。2009年
[5] 张素枝. 基于PLC 控制技术的电容测试分选机 (太原风华信息装备股份有限公司，山西太原030024) 。 2009年
滨江农业职业技术学院
毕业论文（设计）
课题名称
专业及班级 学
姓号 名 三菱触摸屏在气动机械手中的应用
指导老师
2014年3月20日
三菱触摸屏在气动机械手中的应用
摘 要
本文通过对三菱触摸屏在气动机械手电气操纵控制系统应用的工程实践，介绍了气动机械手的设计过程。文中对三菱触摸屏画面制作、机械手的动作过程、气动控制技术、PLC 控制技术、传感器技术等方面进行了详细的介绍。它采用顺序功能图的设计方法, 实现了气动机械手的手动、自动、单周期、单步、连续循环等多种工作模式，并给出了PLC 外部接线图。各种工艺参数的设定都可以在触摸屏上直接操作，使得用PLC 设计的气动机械手具有操纵方便、互动性好、动作可靠、运行平稳，抗干扰能力强的特点，明显优于传统继电控制系统。因此，在工业控制中得到了广泛的应用。
关键词 三菱触摸屏 气动机械手 PLC 顺序功能图
Mitsubishi touch screen in the application
of the pneumatic manipulator
Abstract
In electric pneumatic manipulator based on the Mitsubishi touch screen operation control system application of engineering practice, this paper introduces the design process of pneumatic manipulator. Mitsubishi touch screen images of the production, the action process of manipulator, pneumatic control technology, PLC control technology, sensor technology and so on has carried on the detailed introduction. Sequence function diagram design method was adopted to realize the pneumatic manipulator manual, automatic, single cycle, single step, continuous cycle and so on the many kinds of working mode of operation, and outer wiring diagram of PLC is presented. Various process parameters can be directly on the touch screen operation, making use of PLC design of pneumatic manipulator has good manipulation convenient, interactive, reliable, stable operation, the characteristics of strong anti-interference ability, is superior to the traditional relay control system. As a result, has been widely used in industrial control.
Key words : Mitsubishi touch screen Pneumatic manipulator PLC Sequence function diagram
目 录
1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2 气动机械手的结构与工作过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1 气动机械手的结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.2 气动机械手的工作过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 3 气动机械手的气路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
3.1 气动机械手常用的气动元件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
3.2 气动机械手气动回路控制原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„8 4 气动机械手控制系统硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.1 PLC的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.2 传感器的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
4.3 气动机械手I/O分配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
4.4 气动机械手电气控制系统原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„15 5 气动机械手控制系统软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.1 PLC软件设计方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.2 气动机械手的自动工作流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
5.3 气动机械手的SFC 图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
5.4 气动机械手的PLC 程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 6 三菱触摸屏„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.1 三菱触摸屏简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.2 触摸屏的主要类型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24
6.3 触摸屏的画面制作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 7 触摸屏和气动机械手的调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
7.1 通电前设备检查„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
7.2 设备调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 全文总结 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37
1 绪论
随着科学技术的发展，电气自动化水平在不断提高，应用也普遍的广泛。传统的开关信号主要由操作台上的按钮产生输入信号传到PLC ，而监视信号一般采用外接输出信号连接LED 灯或者外接显示器传到PLC 。大量的输入输出信号的电气连线使系统设计变得复杂而且降低了可靠性。而触摸屏可以很好的解决I/O信号的操纵、监视的问题，同时其人机界面也更丰富友好。
机械手是一种模仿人手动作, 并按设定程序、轨迹和要求代替人抓 ( 吸) 取，搬运工件或工具的自动化装置。气动机械手是采用PLC 控制及气压回路驱动气缸实现要求的运动轨迹，在结构上, 与其他类型的机械手相比, 气动机械手具有结构简单、容易控制的特点, 其气动部件已系列化和组立化, 便于设计与维护。由于气动机械手这些特点, 气动机械手在自动化生产中的应用已日益广泛。
本文将触摸屏和气动机械手有机结合, 使得该系统简单方便易于操作，而且该控制原理具有通用性。
2 气动机械手的结构与工作过程
2.1 气动机械手的结构
由气爪、升降气缸、伸缩机构、转动气缸、托链等部分组成，将机械和电气有机组合在一起，实现点位控制。
（1）气爪单元
包括气爪、手指及位置检测传感器，主要功能是抓取或释放工件。
（2）升降单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的升降，以便于工件的输送。
（3）伸缩单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的伸缩，以便工件的输送。
（4）转动单元
包括气缸及位置检测传感器，主要功能是通过电磁阀控制气缸的旋转，以便于工件的输送。
（5）托链
内部放置传感器电缆及气管。
2.2 气动机械手的工作过程
起初在初始位置，按下启动按钮，四自由度机械手开始运行，首先气爪开始下降，到位后停止；气爪开始抓取工件，抓稳后，气爪开始上升，到位后停止；摆动臂开始顺时针旋转，旋转180º，到位后停止；摆动臂又开始伸出，到位后停止；气爪又开始下降，到适合释放工件位停止；气爪又开始张开，释放工件；工件完全释放后，气爪又开始上升，到位后停止；气爪开始收拢，到位后停止；摆动臂又开始缩回，到位后停止；摆动臂又开始逆时针旋转，旋转180º，到位后停止，即回到了原点。
自动操作有三个选择：连续、单周期、单步。连续：机械手在运行执行过程中按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止，如果不按停止按钮回到原点后继续上述运行过程，往复循环。单周期：机械手在运行执行过程中按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止，只会运行一次。单步：机械手在运行执行过程中只有按下单步启动按钮才会运行，按下一次运行一个动作, 按停止按钮不会马上停止，只有所有过程都执行完后回到原点才会停止。此过程中设置急停按钮，在任何时候都可以停止。 手动操作：按相应的按钮会发生相应的动作。
3 气动机械手的气路设计
3.1 气动机械手常用的气动元件
（1）气源处理装置
气源处理组件及其回路原理图分别如3.1（a ）（b ）所示。气源处理组件是气动控制系统中的基本组成器件，它的作用是除去压缩空气中所含的杂质及凝结水，调节并保持恒定的工作压力。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。在气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，用于启/闭气源，当把气路开关向左拨出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。
图3.1 气源处理组件
气源处理组件输入的气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1.0MPa, 输出压力为0～0.8MPa （可调）。输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各工作单元。
（2）标准双作用直线气缸
气动机械手的夹紧气缸和推料气缸都是标准双作用直线气缸。
标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通常作为通用产品供应市场的气缸。
双作用气缸是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。图3.2是标准双作用直线气缸的半剖面图。图3.2中气缸的两个端盖上都设有进排气通口，从无杆侧
端盖气口进气时，推动活塞向前运动；反之，从杆侧端盖气口进气时，推动活塞向后运动。
双作用气缸具有结构简单，输出力稳定，行程可选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力要小于伸出时产生的推力。
图3.2 标准双作用直线气缸
为了使气缸的动作平稳可靠，应对气缸的运动速度加以控制，常用的方法是使用单向节流阀来实现。
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，所以也称为速度控制阀。
图3.3给出了在双作用气缸上装上两个单向节流阀的连接示意图，这种连接方式称为排气节流方式。即：当压缩空气从A 端进气从B 端排气时，单向节流阀A 的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气；由于单向节流阀B 的单向阀关闭，有杆腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀B 的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。反之，调节节流阀A 的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。这种控制方式是最常用的方式。
图3.3 节流阀连接和调整原理示意
单向节流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。图3.4
是安装了带快速接头的限出型
气缸节流阀的气缸外观。
图3.4 安装上气缸节流阀的气缸
（3）单电控电磁换向阀、电磁阀组
如前所述，气动机械手中的气缸，其活塞的运动是依靠向气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。气体流动方向的改变则由能改变气体流动方向或通断的控制阀即方向控制阀加以控制, 在自动控制中，方向控制阀常采用电磁控制方式实现方向控制，称为电磁换向阀。
电磁换向阀是利用其电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生电磁吸力使阀芯切换，达到改变气流方向的目的。图3.5所示是一个单电控二位三通电磁换向阀的工作原理示意。
图3.5 单电控电磁换向阀的工作原理
所谓“位”指的是为了改变气体方向，阀芯相对于阀体所在的不同的工作位置。“通”的含义则指换向阀与系统相连的通口，有几个通口即为几通。图3.6(a)中，只有两个工作位置，具有供气口P 、工作口A 和排气口R ，故为二位三通阀。
图3.6(a)(b)(c)分别给出二位三通、二位四通和二位五通单控电磁换向阀的图形符号，图形中有几个方格就是几位，方格中的“┯”和“┷”符号表示各接口互不相通。
图3.6 部分单电控电磁换向阀的图形符号
机械手的执行气缸都是双作用气缸，因此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。
气动机械手用了三个二位五通的单电控电磁阀，这两个电磁阀带有手动换向钮和加锁钮，有锁定（LOCK ）和开启（PUSH ）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到在LOCK 位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作, 只有在PUSH 位置，可用工具向下按，信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变机械手等执行机构的控制，达到调试的目的。
两个电磁阀是集中安装在汇流板上的，汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气向大气排放时的噪声。这种将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成的一组控制阀的集成称为阀组，而每个阀的功能是彼此独立的。电磁阀组的结构如图3.7所示。
图3.7 电磁阀组
（4）气动手指（气爪）
气爪用于抓取、夹紧工件。气爪通常有滑动导轨型、支点开闭型和回转驱动型等, 机械手中采用的是滑动导轨型气动手指, 如图3.8（a ）所示。其工作原理可从其中剖面图(b)和(c)看出。
图3.8 气动手指实物和工作原理
3.2 气动机械手气动回路控制原理图
机械手气动控制回路主要控制的是转动执行机构，转动执行机构包括：转动执行机构（转动气缸）、伸缩执行机构（伸缩气缸）、气爪升降执行机构（升降气缸）、气爪张合执行机构（气爪气缸），通过四个气缸驱动机械传动机构。
原理:通过四自由度机械手摆臂转动控制机构，伸缩控制机构，准确捕捉到工件所处位置，由气爪升降控制机构控制气爪，下降到适合抓取工件的位置，然后由气爪张合控制机构，控制气爪抓取工件，然后再由气爪升降控制机构控制气爪上升到位后、再由摆臂转动控制机构的转动、伸缩控制机构的伸缩控制，准确捕捉到工件所需存放的位置，再由气爪升降控制机构控制气爪下降到适合释放工件的位置后，气爪张合控制机构控制气爪张开释放工件，完成工件搬运任务，然
后再由气爪升降控制机构控制气爪上升到位后重复上述过程。根据以上控制要求，设计出气动回路控制原理图如图3.9所示
图3.9 气动回路原理图
4 气动机械手控制系统硬件设计
4.1 PLC的选择
在我国，三菱可编程序控制器是使用最广的PLC 种类之一，主要产品有F 、F 1、F 2系列，FX 0，FX 2，FX 0N ，FX 2N 系列等。
FX 2系列由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元（模块）构成。 基本单元（Basic Unit）包括CPU 存储器输入输出和电源，它是PLC 的主要部分，扩展单元（Extension Unit）是用于增加I/O点数的装置，装置内部没有电源，扩展模块（Extension Module）用于产加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供给。因扩展单元和扩展模块无CPU ，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元（Special Function）是一些特殊用途的装置。 （1）确定所需要的I/O 点个数
根据上述要求，PLC 需要输入以下信号：三个用来检测机械手运动状态的传感器信号，分别用来检测机械手摆臂摆动的极限吸气放气状态传感器信号；一个工件松放到位与否的传感器信号; 根据系统的控制要求, 需要START( 启动) ﹑RESET( 复位) 和STOP( 停止) 三个按钮信号以及一个直流继电器信号；一个用来控制机械手运行方式的AUTO/MAN( 自动/手动) 开关信号。PLC 需要输出以下信号：用来驱动气缸﹑放气的电磁阀需要的两个输出信号，两个用来显示工作状态(START、RESET 指示灯) 的信号， 分别用来指示START 、RESET 按钮的工作状态。根据上述要求， 应选用输入点的个数≥9﹑输出点的个数≥6 的PLC 。 （2） 程序存储器容量的选择由系统的控制要求及上述分析可知, 该系统不需要模拟量变换及存储, 仅需要15个开关量控制，因此可以估算:存储器字节数≥开关量I /O 总数×8=15 ×8 =120字节。
基于以上分析，气动机械手控制应采用FX 2—32MR 的PLC 。
4.2 传感器的选择
气动机械手使用的传感器是接近传感器，它利用传感器对所接近的物体所产生的信号，来识别物体，并输出相应开关信号，因此，接近传感器通常也称为接
近开关。
接近传感器有多种检测方式，包括捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利用磁石和引导开关的方式、利用光电效应和光电转换器件作为检测元件的方式等等。接近传感器所使用的是磁感应式接近开关（或称磁性开关）、电感式接近开关等。这里只介绍气动机械手中使用的磁性开关、电感式接近开关。 （1）磁性开关
使用的气缸都是带磁性开关的气缸。这些气缸的缸筒采用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，这样就提供了一个反映气缸活塞位置的磁场，而安装在气缸外侧的磁性开关则是用来检测气缸活塞位置，即检测活塞的运动行程的。
有触点式的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件，舌簧开关成型于合成树脂块内，并且一般还有动作指示灯、过电压保护电路也塑封在内。图4.1是带磁性开关气缸的工作原理图。当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。触点闭合或断开时发出电控信号，在PLC 的自动控制中，可以利用该信号判断推料及顶料缸的运动状态或所处的位置，以确定工件是否被推出或气缸是否返回。
图4.1 带磁性开关气缸的工作原理图
在磁性开关上设置的LED 显示用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1”，LED 亮；磁性开关不动作时，输出信号“0”，LED 不亮。
磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧紧定螺栓。
磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC 输入公
共端，棕色引出线应连接到PLC 输入端。磁性开关的内部电路如图4.2中虚线框内所示，为了防止错误接线损坏磁性开关，所有磁性开关的棕色引出线都串联了电阻。
图3.2 磁性开关内部电路
（2）电感式接近开关
电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场这样一种物理效应。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡涡流产生的磁场。
利用这一原理，以高频振荡器（LC 振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。电感式接近传感器工作原理框图如图4.3所示。
图4.3 电感式传感器原理框图 图 4.4 接近传感器的实物图
在气动机械手中，使用了电感式接近开关来实现初始位置的检测，图4.4是接近传感器的实物图。
在接近开关的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，保证生产线上的传感器可靠动作。安装距离注意说明如图4.5所示。
图4.5 安装距离注意说明
接近开关的图形符号：
部分接近开关的图形符号如图4.6所示。图中(a)(b)(c)三种情况均使用NPN 型三极管集电极开路输出，如果是使用PNP 型的，正负极性应反过来。
图4.6 接近开关的图形符号
通过以上分析，各气缸的检测均采用接近开关，型号为FESTO.525907，初始位置的检测采用电感式接近开关。
4.3 气动机械手I/O分配
根据气动机械手的动作要求进行输入/输出口的分配，其气动机械手的输入/输出如表4.1所示。
表4.1 I/0分配表
4.4 气动机械手电气控制系统原理图
根据气动机械手的输入/输出分配，设计气动机械手控制原理图如图4.2所示。
0V
图4.2 气动机械手电气控制原理图
5 气动机械手控制系统软件设计
5.1 PLC软件设计方法
PLC 程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。
（1）经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。
（2）继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC 的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。
（3）顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成, 此法的关键是画出功能流程图。
（4）逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来, 实际上就找到了输出和输入的关系，完成了设计任务, 用这种方法设计PLC 程序，设计者可以顺利地设计出结果正确的PLC 程序。
由于气动机械手的动作过程符合顺序控制图的设计，因此，本论文采用顺序功能图法设计了气动机械手的整个动作流程。
5.2 气动机械手的自动工作流程图
根据气动机械手的动作过程，画出机械手自动工作流程图如图5.1所示。
图5.1 工作流程图
5.3气动机械手的SFC 图
根据要求设计出该系统的SFC 图，如下图5.2所示。
图5.2 气动机械手的SFC 图
5.4气动机械手的PLC 程序
根据气动机械手SFC 图，转换成PLC 梯形图如图5.3所示。
图5.3 气动机械手梯形图
6 三菱触摸屏
6.1 三菱触摸屏简介
为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU ，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。
三菱触摸屏来到中国有20多年的历史，现在市场上主要使用的有以下系列： GT1150系列、GT1155系列、GT1175系列、GT1575系列、GT1585系列、GT1595系列、A970GOT 系列、A975GOT 系列、A985GOT 系列、F930GOT 系列、F940GOT 系列。
6.2 触摸屏的主要类型及选择
（1）电阻式触摸屏
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI ，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI ，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸) 的透明隔离点把它们隔开绝缘。
（2）电容式触摸屏
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。 （3）红外线式触摸屏
该触摸屏由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在屏幕表面上，形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要
优点是价格优惠、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。
（4）表面声波触摸屏
表面声波是一种沿介质表面传播的机械波，该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。 （5）压电式触摸屏
电阻式设计简单，成本低，但电阻式触控较受制于其物理局限性，如透光率较低，高线数的大侦测面积会造成处理器负担，其应用特性使之易老化从而影响使用寿命。电容式触控支持多点触控功能，拥有更高的透光率、更低的整体功耗，其接触面硬度高，无需按压，使用寿命较长，但精准度不足，不支持手写笔操控，于是衍生了压电式触摸屏。
基于本设计的要求，本人选择红外线式触摸屏。
6.3 触摸屏的画面制作
1、新建工程
（1）选择工程
启动GT Designer2，点击“新建”按钮，显示如图6.1所示画面，点击“新建”按钮，“打开”按钮用于已创建的工程。
图5.1 新建工程
（2）选择显示新建工程向导
显示如图6.2所示画面，点击“下一步”按钮，如果在“显示新建工程向导”的选择框内取消钩选，下一次新建工程将不显示该工程向导。
图5.2显示新建工程向导
（3）选择所使用的GOT 的类型
显示如图6.3所示画面(GOT 的系统设置) 后，选择所使用的GOT 的类型及颜色设置。
GOT 类型: GT1175-V(640 480) 颜色设置: 256色
选择结束后，点击“下一步”按钮。
图5.3 GTO类型选择
（4）GTO 类型确定
显示如图6.4所示画面(GOT的系统设置) 后，确认后点击“下一步”按钮。
图5.4 GTO类型确定
（5）选择与GOT 相连接的机器
显示如图6.5所示画面( 连接机器设置(第1台)) 后，选择与GOT 相连接的机器，选择结束后，点击“下一步”按钮。
连接机器类型
: MELSEC-FX
图5.5 连接机器类型
（6）选择MELSEC-FX 的连接I/F
显示如图6.6所示画面( 连接机器设置(第1 台)) 后，选择MELSEC-FX 的连接I/F，选择结束后，点击“下一步”按钮。
I/F: 标准I/F-1
图5.6 I/F确定
（7）选择通讯驱动程序
显示如图6.7所示画面( 连接机器设置(第1 台)) 后，选择MELSEC-QnA/Q 的通讯驱动程序。
选择结束后，点击“下一步”按钮 通讯驱动程序
: MELSEC-FX
图5.7通讯驱动程序
（8）确定通讯驱动程序
显示如图6.8所示画面(连接机器设置(第1台)) 后，确认后点击“下一步”按钮。
图5.8 通讯驱动程序确定
（9）设置“切换软元件”
显示如图6.9所示画面( 画面切换软元件的设置) 后，设置“基本画面”的“切换软元件”。
设置结束后，点击“下一步” 按钮。 基本画面切换软元件: GD100
注：GD100是GT1175-V(640 480)的内部画面寄存器
图5.9 画面切换软元件设置
（10）系统环境的设置确认将显示如图6.10所示画面(系统环境的设置确认) ，确认后，点击“完成”按钮。
图5.10 系统环境设置确认
2、制作触摸屏画面
基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用设置有三个画面，画面1为系统首页画面，介绍了系统的名称和指导人、制作人；画面2为主操作页面，是该系统手动控制页面，由该页面可以进入自动控制页面和返回首页；画面3为自动操作页面，主要设置了自动控制的相关按钮。
系统首页画面如图6.11所示。该界面中包括1个画面切换按钮、指导人和制作人显示框、以及矩形框、线条和图片。
图6.11触摸屏画面1
基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用系统中，主要负责控制系统手动运行模式。触摸屏的画面2如图6.12所示。
图6.12触摸屏画面2
手动操作页面中包括的内容有升降开关、夹紧开关、伸缩开关、转回开关、转出开关画面切换开关；指示灯有升降、夹紧、伸缩、转回指示灯、转出指示灯。画面切换开关：切换到首页页面和自动控制页面以及组成画面所需的矩形框、线条和文本。人机画面2中各个元件对应的PLC 地址如表6（1）所示。
表6（1） 触摸屏画面2元件地址
点击手动/自动旋钮进入手动页面，手动页面在基于三菱触摸屏在气动机械手上的应用系统中，负责手动控制系统运行模式。如表6（2）所示为触摸屏画
面3与PLC 的关联表，功能键“”不仅可以将画面切换到画面2，同时也将
触摸屏手动/自动切换开关切换回自动档上。触摸屏画面3如图6.13所示。
图6.13触摸屏画面3
自动操作页面中包括的内容有启动按钮、停止按钮、复位按钮、急停按钮、连续运行、单周期运行、单步运行、单步启动按钮、手动自动选择按钮；指示灯有启动、停止、复位、单周期、连续单步指示灯；以及组成画面所需的矩形框、线条和文本。人机画面3中各个元件对应的PLC 地址如表6（2）所示。
表6（2） 触摸屏画面3元件地址
7 触摸屏和气动机械手的调试
7.1 通电前设备检查
（1）气路检查
检查气源是否引入装置；空气组合元件是否有作用，且压力表调至0.4Mpa ；检查气路是否接错；手动动作电磁阀，调节节流阀流量，使气缸动作正常。 （2）传感器检查
气缸到位后，磁性开关是否动作；数字式压力开关设定值是否正确，压力达到设定值，开关是否动作，各传感器接线是否正确。 （3）按钮检查
动作按钮，触点是否动作，接线是否正确。
7.2 设备调试
可首先通过仿真软件，模拟设备控制过程进行调试，确定程序是否符合工艺要求，再连至机械手上进一步调试。 （1）程序下载
将已编制好的程序编译后，通过USB 下载到PLC 中。 （2）程序运行
拨动RUN/STOP开关或通过编程软件, 将PLC 处于运行状态。 （3）操作设备
设备送电、送气，用三菱触摸屏控制按钮，按下复位按钮，设备处于准备状态，按启动按钮，看能否实现所要现象，出现紧急情况，按下急停按钮。 （4）程序监控
设备运行过程监控程序，监测各输入输出点状态是否正确，编程逻辑是否能实现控制要求。 （5）修改程序
在监控过程中，如发现控制要求不能满足，可修改程序再进入（1）步骤，直至符合要求。
全 文 总 结
经过两个月的设计，气动机械手PLC 控制系统的程序已经成功通过了模拟调试，证明本设计的硬件、软件部分基本能达到预期的效果，能可靠的控制气动机械手动作，达到气动机械手所要求的技术技能。
系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的认识的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行系统的设计与开发有了深刻的认识，对气动机械手的工作原理有了进一步的掌握并在学习和实践的过程中增长了知识，丰富了经验。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的工作。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题要不断的探索，只有这样问题才能解决。
同时在本次设计中，也深刻体会到理论和实践相集合的重要性，虽然之前收集了大量的资料，但在实际应用中却有很大的差异，出现了许多意想不到的问题，但经过长时间的摸索，最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以后的工作中我会继续努力，不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。
致 谢
本文是在顾诚甦老师的悉心指导下完成的。在整个毕业设计过程中，顾老师在各方面给予了我无尽的关心、帮助和教诲，是本次毕业设计能顺利完成的关键。她严谨的治学作风和求实的工作态度深深的影响了我，这对我以后的学习、生活和工作都会有莫大的帮助，谨向顾老师表示最崇高的敬意和衷心的感谢！
在南通农业职业技术学院学习的三年中，各位老师都给了我很大的帮助，他们无微不至的关怀，细心的教导，使我在求学过程中受益匪浅，我所获得的荣誉都源于你们，忠心感谢你们！
最后，感谢各位关心、支持和帮助过我的老师们和同学们，让我终身难忘！
参 考 文 献
[1] 曾实现， 薛蕊. FX2N 系列PLC 实现机械手的设计 (山东省青岛黄海职业学院 山东青岛 266427)。 2009年
[2] 严盈富. 触摸屏与PLC 入门[M].北京：人民邮电出版社。2006年
[3] 张慧鹏，刘小琴，贾毅朝. 基于PLC 控制的工业机械手设计（运城学院机电工程系，山西运城044000）。2009年
[4] 刘军，刘广瑞. 基于PLC 控制的气动机械手 (郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）。2009年
[5] 张素枝. 基于PLC 控制技术的电容测试分选机 (太原风华信息装备股份有限公司，山西太原030024) 。 2009年