基于PLC控制系統(tǒng)的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)

張曉輝，李衛(wèi)新

（1．濮陽(yáng)市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所，河南 濮陽(yáng) 457000；2．濮陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 濮陽(yáng) 457000）

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高科技技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，這就更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。

PLC 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用等優(yōu)點(diǎn)；氣動(dòng)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的重要手段之一，特別是在非污染行業(yè)占有重要的地位，氣動(dòng)技術(shù)中的壓力介質(zhì)來(lái)自于空氣，環(huán)境污染小，容易實(shí)現(xiàn)控制工程。

1 工作原理

1.1 氣動(dòng)機(jī)械手組成

該氣動(dòng)機(jī)械手由步進(jìn)電機(jī)、直線導(dǎo)軌、氣缸、傳感器、定位開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、支架、機(jī)械零部件構(gòu)成；控制系統(tǒng)由氣動(dòng)裝置和PLC 控制系統(tǒng)組成。PLC 控制系統(tǒng)作為主控器，來(lái)控制整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，傳感器作為反饋檢測(cè)元件對(duì)PLC 提供信號(hào)控制氣動(dòng)裝置中的電磁閥，從而達(dá)到控制機(jī)械手的上升、下降、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 氣動(dòng)機(jī)械手工作過(guò)程

工作啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)復(fù)位使機(jī)械手部分到達(dá)起始位置，升降氣缸處于下部，手爪氣缸伸出抓取物體，同時(shí)開(kāi)始延時(shí)5 秒，保證手爪充分抓緊物體，延時(shí)結(jié)束后升降氣缸連同物體一起上升，手爪氣缸縮回；旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作使氣爪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)械手部分到達(dá)指定位置，升降氣缸上升，手爪氣缸伸出到位后松開(kāi)物體并延時(shí)5 秒，確保物體準(zhǔn)確放置在物料臺(tái)上；延時(shí)結(jié)束后手爪氣缸縮回，復(fù)位到起始位置。此為一個(gè)工作循環(huán)。

2 氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

氣動(dòng)控制回路是本工作單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制邏輯控制功能是由PLC 實(shí)現(xiàn)的。氣動(dòng)控制回路的工作原理見(jiàn)圖2：B1、B2 為安裝在推料氣缸的兩個(gè)極限工作位置的磁性傳感器。1Y1、2Y1、3Y1、4Y1、4Y2 為控制氣缸的電磁閥。

圖2 氣動(dòng)控制回路原理圖

氣動(dòng)機(jī)械手的回路設(shè)計(jì)主要由4個(gè)回路組成，控制機(jī)械手的升降、伸縮、抓緊與放松及旋轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作，分別由3個(gè)直動(dòng)式氣缸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸組成。在氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)三位五通的電磁換向閥控制換向，由于4個(gè)氣缸先后動(dòng)作，所以設(shè)計(jì)有中位?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口控制流量大小，從而控制氣缸運(yùn)動(dòng)的速度。氣動(dòng)回路很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以通過(guò)PLC 來(lái)控制換向閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。此外，氣動(dòng)回路可以適應(yīng)任何惡劣環(huán)境，比較容易維護(hù)，因此在自動(dòng)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

3 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中輸人點(diǎn)數(shù)為10 點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)，考慮到控制要求和維修方便，采用了日本三菱公司生產(chǎn)的F X2N—48MT 型PLC 作為主控器。電磁鐵供電電壓為24VDC，直接與PLC 輸出電路連接，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。輸入/輸出外部接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 外部接線圖

經(jīng)分析知，在一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中升降氣缸需要?jiǎng)铀拇?，如果采用“?jīng)驗(yàn)”編程方法，程序比較復(fù)雜而且易產(chǎn)生障礙信號(hào)，所以本文采用狀態(tài)編程法來(lái)設(shè)計(jì)PLC 程序，狀態(tài)編程的思想為：將一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程分解為若干個(gè)工作狀態(tài)，弄清各狀態(tài)的工作細(xì)節(jié)，再根據(jù)總的控制順序要求，將這些狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，形成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，進(jìn)而編繪梯形圖程序。采用這種方法，一個(gè)“狀態(tài)”代表一個(gè)“工序”，程序簡(jiǎn)單直觀，而且可以消除障礙信號(hào)。工作狀態(tài)圖如圖4 所示，部分程序圖如圖5 所示。

4 結(jié)論

由三菱PLC 控制的氣動(dòng)機(jī)械手裝置能夠?qū)崿F(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、單周期和往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩次三種執(zhí)行方式，充分利用了PLC 的人機(jī)交互性較強(qiáng)和程序利于編制、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化的控制。

圖4 工作狀態(tài)圖

圖5 部分程序圖

[1]陳麗. PLC 控制系統(tǒng)編程與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

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