關(guān)于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏平（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215009）

如今，氣動(dòng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，基于氣動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)而成的機(jī)械手設(shè)備，由于其本身具有成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)較為常用的工具，也逐漸受到各個(gè)企業(yè)的重視。相比基于其他控制方式設(shè)計(jì)而成的機(jī)械手而言，氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備具有成本低、結(jié)構(gòu)簡易、環(huán)保以及抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)勢。PLC技術(shù)的加入，使得氣動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)勢更為明顯，且氣動(dòng)機(jī)械手的使用與控制方式變得更為靈活與方便，促進(jìn)了氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展。

1 機(jī)械手技術(shù)簡介

機(jī)械手是設(shè)計(jì)人員將真人手部能完成的動(dòng)作為模仿對(duì)象設(shè)計(jì)而成的機(jī)械設(shè)備。機(jī)械手能夠依照使用者編入的程序或下達(dá)的指令，沿固定的軌跡完成自動(dòng)抓、取以及搬運(yùn)等動(dòng)作，為使用人員提供便利。

如今機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了機(jī)械手發(fā)展，機(jī)械手的智能化水平得到大幅提升。目前，我國大部分工業(yè)生產(chǎn)中所使用的機(jī)械手，其大部分都擁有自動(dòng)化裝置，尤其將機(jī)—電—液—?dú)庀嘟Y(jié)合的自動(dòng)化裝置更容易受到工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的喜愛。如今，機(jī)械手技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)開始向非制造業(yè)延伸，如采礦機(jī)器人、建筑機(jī)器人，越來越多的高科技技術(shù)開始添加至機(jī)械手之上，使機(jī)械手的更加完善，對(duì)人類發(fā)展具有積極意義。

2 機(jī)械手的基本形式

2.1 直角坐標(biāo)式機(jī)械手

注塑形直角坐標(biāo)式機(jī)械手是目前較為有代表性的機(jī)械手之一。其以空間直角坐標(biāo)系OXYZ 為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，能夠使機(jī)械手按一定順序沿著空間直角坐標(biāo)系的三個(gè)軸進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)械手獲得六個(gè)自動(dòng)度的運(yùn)行，往往應(yīng)用于工作目標(biāo)排列整齊，且工作位置排列成行的工作當(dāng)中。部分工業(yè)制造企業(yè)也將直角坐標(biāo)式機(jī)械手安置于傳送帶上，使兩者相互配合使用。

直角坐標(biāo)式機(jī)械手應(yīng)用范圍較廣，且其本身便具備一定的優(yōu)勢，如CF75—10—c—p—fo型機(jī)械手。直角坐標(biāo)式機(jī)械手具有以下特點(diǎn)：其一，生產(chǎn)量較高且頻率較快，可以達(dá)到企業(yè)對(duì)機(jī)械手速度方面的要求。其二，與生產(chǎn)流水線中的傳送帶配合較為默契，也能與加工裝配機(jī)械進(jìn)行配合。其三，能夠完成工序繁瑣的工作，如裝箱，使用人員也能夠輕易的變更定位。其四，定位精度較高，使用人員輸入坐標(biāo)之后，機(jī)械手便會(huì)自動(dòng)工作，且定位精度不受物品載重的變化而發(fā)生改變。但直角坐標(biāo)式機(jī)械手也存在一定缺點(diǎn)，即其作業(yè)范圍較小，只能完成固定區(qū)域內(nèi)的工作。

2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手

物料分揀機(jī)械手是立體倉庫物料傳送系統(tǒng)的重要組成部分，而大部分企業(yè)都選用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手作為物料分揀機(jī)械手。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手能夠使氣缸進(jìn)行水平伸縮，同時(shí)也可以令氣缸進(jìn)行上下垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求機(jī)械手能夠左右旋轉(zhuǎn)，并抓緊目標(biāo)物料。企業(yè)往往使用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手進(jìn)行測量與搬運(yùn)工作。

圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手具備許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為簡易、占地面積小，工作范圍廣等。若設(shè)計(jì)人員將活動(dòng)套筒安裝于垂直導(dǎo)柱之上，機(jī)械手還可以實(shí)現(xiàn)在上下垂與水平面運(yùn)動(dòng)過程中，完成帶有弧度的左右擺動(dòng)的動(dòng)作。

2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手

以車橋附件焊接系統(tǒng)機(jī)器人，其不僅能夠沿一個(gè)方向做直線運(yùn)動(dòng)，還可以以兩個(gè)坐標(biāo)軸為圓周進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。球坐標(biāo)式機(jī)械手擁有的自由度較大，在工業(yè)制造中的應(yīng)用也較為頻繁。球坐標(biāo)式機(jī)械手能夠完成如下動(dòng)作：旋轉(zhuǎn)、伸縮、彎曲、擺動(dòng)等，對(duì)工業(yè)制造的發(fā)展具有積極意義。球坐標(biāo)式的基本構(gòu)造是將機(jī)械手安裝于樞軸之上，之后將樞軸安裝于叉形夾之上，以便機(jī)械手能夠于垂直平面之內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓弧狀上下運(yùn)動(dòng)，工作范圍與工作效果幾乎與人類相同。球坐標(biāo)式機(jī)械手工作范圍廣、工作效率高，對(duì)我國工業(yè)制造企業(yè)的發(fā)展具有積極意義。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)算法分析

任何能夠解決問題的方案都有對(duì)應(yīng)算法，算法是解決問題時(shí)思路的反映。通常有以下兩種算法：

第一，分治法。設(shè)計(jì)人員可以使用分治法以達(dá)到各功能模塊實(shí)現(xiàn)的目的。設(shè)計(jì)人員在實(shí)施小功能模塊區(qū)分作業(yè)時(shí)，應(yīng)以氣動(dòng)機(jī)械手的實(shí)際工作順序作為參照。自機(jī)械手初始狀態(tài)起，依照具體的施工過程設(shè)計(jì)機(jī)械手具體的工作流程，其他模塊中機(jī)械手所執(zhí)行的動(dòng)作，設(shè)計(jì)人員可使用步進(jìn)指令將其轉(zhuǎn)化為梯形式程序圖，以便達(dá)到全面控制的目的。

第二，貪婪法。貪婪法的整體思路是設(shè)計(jì)人員最大程度的將與控制條件相符的全部狀況納入設(shè)計(jì)顧慮范圍之內(nèi)，并在所有情況中挑選一個(gè)利于解決問題的辦法。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，與設(shè)計(jì)需求相符的算法多種多樣，設(shè)計(jì)人員可使用SET、RST指令完成控制功能的設(shè)計(jì)。

3.2 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

順序功能圖，也可稱其為SFC 圖，其設(shè)計(jì)是氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要步驟之一。通常情況下，機(jī)械手必須依照固定的順序完成動(dòng)作，才能夠保證工業(yè)制造工作順利完成，此時(shí)便需要設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)順序功能圖。順序功能圖能夠保證機(jī)械手可以按照預(yù)定順序逐步完成動(dòng)作，從而達(dá)成任務(wù)目標(biāo)。該方法較為簡易，易于初學(xué)人員掌握，同時(shí)對(duì)加快機(jī)械手的設(shè)計(jì)進(jìn)度具有積極意義，頻繁在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中使用。順序功能圖中含有共用以及專用的編程元件，設(shè)計(jì)順序功能圖已然是我國目前設(shè)計(jì)PLC程序的主要方式。

設(shè)任務(wù)要求為：設(shè)定機(jī)械手右上方、縮回位置作為原點(diǎn)位置，機(jī)械手必須完成如下動(dòng)作：第一，擺動(dòng)缸往左側(cè)擺動(dòng)，水平氣缸向外探出，之后垂直氣缸向外探出，引導(dǎo)機(jī)械手抓牢目標(biāo)。第二，水平氣缸向內(nèi)縮回，之后垂直氣缸向內(nèi)縮回，同時(shí)擺動(dòng)缸往右側(cè)擺動(dòng)，松開目標(biāo)。第三，重復(fù)上兩步動(dòng)作。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，還需注意機(jī)械手在施工過程中容易出現(xiàn)以下狀況：如啟動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)問題，或是企業(yè)發(fā)生停電現(xiàn)象。此時(shí)施工人員便需使用手動(dòng)方式實(shí)施作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)人員需在機(jī)械手設(shè)計(jì)當(dāng)中設(shè)計(jì)機(jī)械手手動(dòng)控制方式。當(dāng)施工人員選擇使用手動(dòng)方式操作機(jī)械手時(shí)，需閉合與X22 相應(yīng)的開關(guān)，執(zhí)行水平探出動(dòng)作，傳感器開始進(jìn)行檢測。當(dāng)機(jī)械手完全進(jìn)入手動(dòng)操作模式之后，會(huì)向施工人員發(fā)出提示信號(hào)。此時(shí)，X1 顯示為ON，不會(huì)探出。其他機(jī)械手的工作順序與上述基本相同，機(jī)械手需完成水平收縮、垂直探出等一系列動(dòng)作。

設(shè)計(jì)人員還需編制氣動(dòng)機(jī)械手總體SFC 圖。X11、12、13、14、15、16 等開關(guān)中只能存在一個(gè)開關(guān)為ON 狀態(tài)，不得同時(shí)存在多個(gè)開關(guān)同時(shí)開啟的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)人員需在系統(tǒng)中安裝轉(zhuǎn)換用開關(guān)，確保機(jī)械手不會(huì)存在多種控制方式并存的現(xiàn)象，以免機(jī)械手出現(xiàn)故障，甚至影響周圍工作人員的安全。設(shè)計(jì)人員可將X10 作為用以自由切換自動(dòng)與手動(dòng)的開關(guān)，當(dāng)X10 處于ON狀態(tài)，則機(jī)械手為手動(dòng)操作模式，反之則為自動(dòng)操作模式。氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)當(dāng)中的PLC程序總體SFC機(jī)構(gòu)。

PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序也是氣動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。梯形圖的的基本設(shè)計(jì)方法如下：當(dāng)用以選擇的開關(guān)X10不等于1時(shí)，機(jī)械手變換為手動(dòng)操作模式，反之，則機(jī)械手變換為自動(dòng)操作模式。模式之間的變化，設(shè)計(jì)人員可以通過控制質(zhì)量CJ 完成，實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)圖的建立。梯形圖存在多種編寫形式，設(shè)計(jì)人員可利用“啟動(dòng)—保持—停止”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。即當(dāng)機(jī)械手按照預(yù)定條件啟動(dòng)，之后自動(dòng)鎖定進(jìn)行動(dòng)作保持，當(dāng)機(jī)械手進(jìn)入下一狀態(tài)，便會(huì)及時(shí)斷開與上一個(gè)狀態(tài)的連接，設(shè)計(jì)人員也能使用SET、RST完成PLC控制系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

如今，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備逐漸向自動(dòng)化發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)械手發(fā)展對(duì)我國工業(yè)制造具有積極意義。我國應(yīng)推廣機(jī)械手在工業(yè)制造中的應(yīng)用，以便提高我國工業(yè)制造的精度，也減少其中的危險(xiǎn)，促進(jìn)我國工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展。

[1]汪歡歡,胡國清,周青輝.基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].液壓與氣動(dòng),2012,09:38-40.

[2]胡志剛.基于S7-200 PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2014,03:120-121.

[3]范金玲.基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2010,07:36-38.

[4]謝祥.基于PLC 的四自由度氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].伺服控制,2014,12:58-59+63.