基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的氣動手搬運機(jī)械手控制

梁春鴻

本文針對氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)以及工作原理的介紹，重點分析了氣動機(jī)械手的控制要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計，而且通過相關(guān)實驗，證明該機(jī)械手控制方便、定位精確，可以長期穩(wěn)定的運行。

目前，由于機(jī)械手技術(shù)有了快速的發(fā)展，同時PLC控制技術(shù)以及點控制技術(shù)也在生產(chǎn)實踐中得到應(yīng)用，所以，適合在工業(yè)自動化生產(chǎn)中使用的通過機(jī)械手也有了不小的進(jìn)展。因為氣動機(jī)械手具有諸多優(yōu)勢，比如結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、控制便捷等，因此被自動化生產(chǎn)線大量采用。本文將結(jié)合自動化生產(chǎn)線的實際情況，進(jìn)行基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的氣動手搬運機(jī)械手控制的探討。

一、起動機(jī)械手的機(jī)構(gòu)及原理

1、氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

該氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1為推料氣缸，2為工作庫，3為單桿氣缸，4為雙導(dǎo)桿氣缸，5為氣動手抓，6為轉(zhuǎn)軸，7為步進(jìn)電機(jī)，8為傳送帶。在以上組成元件中，燃料氣缸主要負(fù)責(zé)在工件庫中推送工件；氣動手抓則是用來抓緊工件或放松工件；雙導(dǎo)桿氣缸是用來控制機(jī)械手臂進(jìn)行縮回或者伸出動作；單桿氣缸可以提升或者降低氣動手抓；不僅電機(jī)控制著機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)，并且依據(jù)脈沖數(shù)量來保障定位準(zhǔn)確。

2、氣動機(jī)械手的工作原理

本文探討的氣動系統(tǒng)包括了推料氣缸、升降氣缸、伸縮氣缸和氣動手抓等組成部分。其中，單電控制二位五通閥負(fù)責(zé)控制推料氣缸、升降氣缸以及伸縮氣缸。而氣動手抓則是被雙電控制二位五通閥來進(jìn)行控制。至于氣缸動作過程中的穩(wěn)定性，一般通過單向節(jié)流閥來控制其速度，速度得到控制以后，氣缸在運動過程中的穩(wěn)定性即可大大提高。該氣動機(jī)械手在工作中遵循以下流程：工件存料后氣動機(jī)械手向前伸出—前臂降低—工件被氣動手指夾住—前臂抬升并縮回—手臂向右旋轉(zhuǎn)—手臂前屈—手爪把工件放進(jìn)料口—手臂縮回—機(jī)械手復(fù)位，直到下一個工件就位，這一過程循環(huán)進(jìn)行達(dá)到工作的目的。在本系統(tǒng)中，為了保障機(jī)械手的定位準(zhǔn)確，把電感傳感器裝置在機(jī)械手底座處，當(dāng)作其基準(zhǔn)傳感器。并且在機(jī)械手向左、向右旋轉(zhuǎn)到最大位置處加裝限制裝置。

二、氣動機(jī)械手控制標(biāo)準(zhǔn)

對于氣動機(jī)械手控制標(biāo)準(zhǔn)，主要體現(xiàn)在搬運工件的工作中，不僅要準(zhǔn)確控制其操作，還要同步呈現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)。在遇到緊急事件時，可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體要求分三個方面：（1）機(jī)械手在工件到位后向前伸出手臂，當(dāng)傳感器檢測后，手爪氣缸延遲0.5秒后下降，在限位傳感器感應(yīng)后，同樣延遲0.5秒再抓取工件，手抓接受到加緊信號之后，延遲0.5秒上升氣缸，到位后手臂氣缸回縮，縮回限位到位之后右旋轉(zhuǎn)，到達(dá)一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪氣缸降低，下降限位后，手動手爪延遲0.5秒松開工件，手爪提高限位后，手臂氣缸向后縮，縮回限位后手臂進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)，直到下一個工件就位，再重復(fù)以上要求。（2）啟動、停止、復(fù)位、警告。在該系統(tǒng)通電，“復(fù)位”被點動后系統(tǒng)復(fù)位，并且清除干凈存料臺。點擊“啟動”按鈕之后，表示缺料情況的黃燈會閃爍，設(shè)備在放進(jìn)工件后再運轉(zhuǎn)。當(dāng)點動“停止“按鈕后，全部元件都會暫停工作，警告燈也會點亮，同時缺料黃燈也會繼續(xù)閃爍。（3）系統(tǒng)意外斷電的處理。設(shè)備會在系統(tǒng)意外斷電后暫停工作。直到電源供應(yīng)恢復(fù)之后，點擊“復(fù)位”按鈕，并且再次點動“啟動”按鈕，這個時候機(jī)械手會執(zhí)行控制要求（1）中的有關(guān)內(nèi)容。

三、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)在動作流程上主要根據(jù)氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理，并且結(jié)合電磁鐵的狀態(tài)和步進(jìn)電機(jī)的方向信號DIR和脈沖信號的狀態(tài)來安排氣動機(jī)械手的動作順序。在PLC I/O口分配方面，主要依據(jù)該系統(tǒng)輸出與輸入的數(shù)量特征。決定將控制器選擇為西門子S7-200系列PLC。該氣動搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)的I/O口分配情況如表1所示。

2、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在本文中的機(jī)械手軟件設(shè)計過程中，步進(jìn)電機(jī)的控制是比較復(fù)雜的難點。對于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，其驅(qū)動器的方向信號DIR和脈沖信號PLU是由Q0.1和Q0.0分別提供的。利用程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)目進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，基本上可以保障機(jī)械手向左、向右旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確度。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的動作特征，應(yīng)用S7-200PLC的脈沖指令PLS來保證步進(jìn)電機(jī)的定位。其中，高速脈沖指令包括寬度可變脈沖PWM和高速脈沖PTO這兩種類型。由于PTO方式能夠有效控制脈沖數(shù)量和周期，所以被該系統(tǒng)采納。步進(jìn)電機(jī)一旦在啟動瞬間發(fā)生高頻脈沖增加的情況，會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)失步等故障。為此，步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行啟動、運行、停止、高速運行、減速等階段時，可以在PTO指令過程中運用多管線控制手段。

結(jié)論

本文進(jìn)行基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的氣動手搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過相關(guān)實驗，證明了該機(jī)械手控制方便、定位精確，可以長期穩(wěn)定的運行。在實際生產(chǎn)過程中可以結(jié)合需要來調(diào)整機(jī)械手動作流程，提高其適應(yīng)性。

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