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

朱 靜

（江蘇省靖江中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 靖江 214500）

氣動(dòng)機(jī)械手依靠氣壓轉(zhuǎn)動(dòng)完成機(jī)械手操作，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速，在工業(yè)領(lǐng)域中較常見(jiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)機(jī)械手具備使用智能化技術(shù)操作的條件。為了進(jìn)一步提升氣動(dòng)機(jī)械手的控制精準(zhǔn)度與效果，本文針對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手傳統(tǒng)運(yùn)作模式中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了PLC（Programmable Logic Controller）氣動(dòng)機(jī)械手程序，旨在更準(zhǔn)確地控制氣動(dòng)機(jī)械手。

1 PLC氣動(dòng)機(jī)械手程序設(shè)計(jì)的背景及目的

以動(dòng)力來(lái)源劃分，可將機(jī)械手分為手動(dòng)、電動(dòng)與氣動(dòng)3 種類型[1]，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)系統(tǒng)常見(jiàn)的機(jī)械手為氣動(dòng)機(jī)械手。本文以PLC 技術(shù)為核心，將PLC 技術(shù)嵌入機(jī)械手的控制體系，圍繞PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，將步進(jìn)電機(jī)、傳感器等裝置安裝在機(jī)械手內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制，使機(jī)械手能夠按照程序完成各種操作任務(wù)，同時(shí)兼顧靈活性與操作需求，增強(qiáng)機(jī)械手的操作性能和效率。

2 PLC氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的需求

2.1 系統(tǒng)特征

機(jī)械手主要使用氣動(dòng)技術(shù)操控，通過(guò)壓縮周圍環(huán)境空氣的方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手操控。相較于液壓機(jī)械手，氣動(dòng)機(jī)械手靈活度較高，設(shè)備較輕便[2]，不論是運(yùn)輸還是調(diào)試和使用，都會(huì)更加簡(jiǎn)單。氣動(dòng)裝置對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有很高的要求，使用中不會(huì)出現(xiàn)油污與噪聲，所以才會(huì)成為工業(yè)領(lǐng)域首選控制模式。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械手的研究方向必然是機(jī)電一體化，在高新技術(shù)的加持下延長(zhǎng)機(jī)械壽命與抗外界干擾能力。

2.2 使用前景

如今，機(jī)械手已成為工業(yè)系統(tǒng)最常見(jiàn)的控制裝置，在各種現(xiàn)代技術(shù)與控制技術(shù)支持下，賦予了機(jī)械手智能化含義。當(dāng)前許多研發(fā)企業(yè)都在研發(fā)新技術(shù)，優(yōu)化控制機(jī)械手，旨在獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益及機(jī)械手控制效果。在這樣的背景下，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多新的機(jī)械手控制技術(shù)，推動(dòng)工業(yè)系統(tǒng)快速發(fā)展?；跈C(jī)械手使用環(huán)境和需求，在構(gòu)思設(shè)計(jì)機(jī)械手操作程序中，必須確保機(jī)械手能夠用非常靈活的系統(tǒng)參與部件運(yùn)作，足夠的靈敏度與較低的成本是機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要前提。為平衡使用與研發(fā)需求，研發(fā)時(shí)需要設(shè)計(jì)師將創(chuàng)新工藝與技術(shù)用于機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研發(fā)，推動(dòng)工控技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，創(chuàng)造更大的企業(yè)發(fā)展利潤(rùn)。

2.3 功能需求

智能工控設(shè)備的機(jī)械手，必須結(jié)合使用環(huán)境與用途，具備完善的系統(tǒng)功能需求。應(yīng)按照機(jī)械手使用環(huán)境和條件進(jìn)行探討，確保機(jī)械手的功能可滿足各種使用條件和環(huán)境，精準(zhǔn)控制機(jī)械手操作。本文所進(jìn)行的設(shè)計(jì)方式，就是以氣動(dòng)為控制形式，將手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合，讓氣動(dòng)機(jī)械手具備放下、抓取、旋轉(zhuǎn)、縮回與伸出等功能需求，完美地完成一系列操作。

3 PLC氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)與原理

本次所設(shè)計(jì)的PLC 操控程序結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，僅有基座與手臂2 個(gè)部分，使用前只需要將2 個(gè)部分組裝即可運(yùn)行?；梢灾尾⑤o助手臂旋轉(zhuǎn)[3]，基座中的機(jī)械手能夠直線上下運(yùn)動(dòng)，并按照需要做出放松或夾緊操作，即靠不同的氣缸帶動(dòng)不同的機(jī)械手細(xì)節(jié)部位，做出各種各樣的動(dòng)作。氣缸驅(qū)動(dòng)控制由PLC 程序控制，程序操控電磁閥閥芯，實(shí)現(xiàn)氣缸壓縮空氣流通方向的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的操控。平時(shí)氣動(dòng)機(jī)械手工作壓力為0.6 MPa，極限情況下為1 MPa。本次所用氣動(dòng)機(jī)械手包含1 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和2 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，能輕松搬運(yùn)物品。在機(jī)械手運(yùn)作中，可靠球形關(guān)節(jié)以及靈活的部件調(diào)整高度、方向及松緊程度，在工作狀態(tài)下，機(jī)械手行程比較長(zhǎng)，最高可以運(yùn)動(dòng)1 500 mm，依靠垂直導(dǎo)軌、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)柱與升降氣缸配合完成運(yùn)動(dòng)控制。轉(zhuǎn)動(dòng)行程最大180°，靠微動(dòng)開(kāi)關(guān)、擺動(dòng)比、止推軸承、擺動(dòng)氣缸操控[4]。

3.2 控制方式

本次設(shè)計(jì)的運(yùn)行程序有3種模式，不同模式應(yīng)對(duì)不同的生產(chǎn)條件與環(huán)境。平時(shí)運(yùn)行中，為便于操作和管理，可以應(yīng)用程序設(shè)置中的自控模式，在自控模式中系統(tǒng)能夠自動(dòng)化運(yùn)作。與之對(duì)應(yīng)的是手動(dòng)控制，只有在出現(xiàn)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)以及系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)使用手動(dòng)模式。手動(dòng)控制中，工作人員需要使用控制按鈕操控機(jī)械手的各個(gè)部位，該模塊屬于最基礎(chǔ)、最重要的部分。自動(dòng)控制中PLC 程序的設(shè)計(jì)十分重要，提前編寫程序，并將程序代碼輸入到程序內(nèi)，按照程序執(zhí)行周期差異，自動(dòng)控制模式可以分為全自動(dòng)控制與單周期控制2種不同的控制形式。其中，單周期控制在完成1個(gè)周期任務(wù)執(zhí)行后不會(huì)繼續(xù)執(zhí)行程序，需要再次點(diǎn)擊程序才能啟動(dòng)[5]。全自動(dòng)控制可以在完成1個(gè)周期任務(wù)后繼續(xù)執(zhí)行下1 個(gè)周期任務(wù)，重復(fù)操作程序，一直到點(diǎn)擊結(jié)束任務(wù)按鈕后才能停止。

3.3 氣動(dòng)系統(tǒng)

操作機(jī)械手時(shí)，需要使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序完成機(jī)械手傳動(dòng)命令。按照預(yù)設(shè)程序機(jī)械手能執(zhí)行很多種任務(wù)，保障工控過(guò)程效率[6]。本文所設(shè)計(jì)的方案中，氣動(dòng)機(jī)械手使用1 個(gè)負(fù)壓發(fā)生器、3 個(gè)氣缸及4 個(gè)雙電控電磁閥，實(shí)現(xiàn)氣缸、電磁閥、移動(dòng)軌跡動(dòng)作控制。為獲得更好的機(jī)械手控制速度，所有氣路均配備氣流閥，使用手動(dòng)控制模式時(shí)，只需要點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，就能使機(jī)械手中的部件相連，使設(shè)備通電。機(jī)械手中的氣缸與吸盤在程序指令中獨(dú)立運(yùn)作，帶動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)。吸起搬運(yùn)物件靠的是機(jī)械手的負(fù)壓發(fā)生器和氣吸盤合力作用，在負(fù)壓發(fā)生器運(yùn)轉(zhuǎn)中，能控制氣吸盤的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入負(fù)壓狀態(tài)后即可抓取吸住物體。

4 PLC氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)成

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以PLC 程序控制氣動(dòng)機(jī)械手，需要用到按鈕開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)電纜、I/O 段子、PLC 控制器，使用電磁閥操控負(fù)壓發(fā)生器與驅(qū)動(dòng)氣缸，使其按照預(yù)設(shè)程序達(dá)成相應(yīng)目的，操作吸盤與手臂完成相應(yīng)動(dòng)作。機(jī)械手所有關(guān)節(jié)中都設(shè)有傳感器，傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械手狀態(tài)，了解機(jī)械手狀況。本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)包括1 個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和2 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，使用了15 個(gè)輸出量與27 個(gè)輸入量，應(yīng)用S7-200 的PLC。另外，結(jié)合控制需要，控制系統(tǒng)還包含手動(dòng)操控和全自動(dòng)操控2個(gè)模塊，手工操作屬于基本功能，可以再斷電回位以及出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)對(duì)操作需求；全自動(dòng)操控能夠讓氣動(dòng)機(jī)械手按照預(yù)設(shè)程序操作，依靠PLC程序操作。

4.2 系統(tǒng)輸入與輸出

將電感傳感器安裝于氣動(dòng)機(jī)械手左右極限點(diǎn)，之后將標(biāo)準(zhǔn)電磁開(kāi)關(guān)安裝在機(jī)械手伸縮前后極和上下極限點(diǎn)。機(jī)械手控制系統(tǒng)輸出輸入點(diǎn)包括旋轉(zhuǎn)、回升、下降、抓取、氣動(dòng)等諸多內(nèi)容。

4.3 軟件

按照運(yùn)行機(jī)械手對(duì)于程序和功能的需求，在軟件的設(shè)計(jì)中，需要分別設(shè)置開(kāi)始運(yùn)行、復(fù)位及停止。操作軟件中如果需要復(fù)位，則點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，此時(shí)程序就會(huì)自動(dòng)控制機(jī)械手的各個(gè)部件，回縮氣缸的同時(shí)，松開(kāi)氣爪使其卸力。結(jié)束上述步驟以后，機(jī)械手回歸原位。點(diǎn)擊程序啟動(dòng)后，伸縮氣缸前身到達(dá)極限點(diǎn)，之后機(jī)械手回到下極限點(diǎn)抓取工件，為保障機(jī)械手準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，設(shè)計(jì)軟件中需要設(shè)好延時(shí)，在延時(shí)過(guò)后手臂回到上極限點(diǎn)，之后回到后極限點(diǎn)。循環(huán)中機(jī)械手的動(dòng)作指令程序可以使用默認(rèn)的13 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作，或結(jié)合需要進(jìn)行程序動(dòng)作數(shù)量調(diào)整，只需要滿足程序操作即可。不論多少個(gè)動(dòng)作，只有做完一個(gè)周期后，才能讓機(jī)械手回歸原位。為了避免搬運(yùn)物體中機(jī)械手因?yàn)閼冶圻^(guò)長(zhǎng)無(wú)法保持平衡出現(xiàn)損壞情況，需要等待機(jī)械手回縮，在系統(tǒng)完成回縮動(dòng)作后機(jī)械手旋轉(zhuǎn)回歸原位。

4.4 硬件

本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)定為氣動(dòng)手指、伸縮手臂、升降系統(tǒng)與基座平臺(tái)4 個(gè)部分?；脚_(tái)構(gòu)成為支撐平臺(tái)與擺動(dòng)氣缸，負(fù)責(zé)左右轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐機(jī)械手；提升機(jī)構(gòu)與薄型氣缸完成提升，讓機(jī)械手在基座中上下運(yùn)動(dòng)；伸縮手臂靠手臂伸縮氣缸完成前后運(yùn)動(dòng)；氣動(dòng)手指及各種夾緊機(jī)構(gòu)能讓氣動(dòng)手指放松或夾緊。控制系統(tǒng)使用的S7-200PLC，氣缸活塞是否到位使用磁性開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，并用光電開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)情況進(jìn)行檢查。氣動(dòng)系統(tǒng)包括電磁換向閥，由雙電控與單電控兩種類型組成。還用了標(biāo)準(zhǔn)氣缸、氣動(dòng)手指、旋轉(zhuǎn)氣缸、薄型氣缸等氣動(dòng)元件。

4.5 傳感器

本設(shè)計(jì)中的氣動(dòng)元件信號(hào)傳感器為磁性開(kāi)關(guān)，所有氣缸缸筒的材料都是隔磁性強(qiáng)、導(dǎo)磁性弱的不銹鋼和硬鋁。因?yàn)橛布械幕钊麨榉谴判泽w，所以在其上方加裝永磁磁環(huán)。開(kāi)關(guān)布置于氣缸外側(cè)，只需監(jiān)測(cè)磁環(huán)磁場(chǎng)情況，就能掌握活塞的具體位置。閉合或斷開(kāi)信號(hào)，即可監(jiān)測(cè)氣缸位置。工作人員根據(jù)觸點(diǎn)LED 是否亮起掌握活塞位置與觸點(diǎn)位置，調(diào)試十分方便。

4.6 光電開(kāi)關(guān)

本程序的光電開(kāi)關(guān)包括光接收器與光發(fā)射器2 個(gè)部分。光接收器與發(fā)射器被設(shè)置在同一側(cè)，在光線照射到檢測(cè)對(duì)象以后反射光纖被接收器接收?？刂葡到y(tǒng)使用OMRON 公司的漫反射光電開(kāi)關(guān)，信號(hào)為CX-441，隨時(shí)將信息發(fā)給PLC 控制模塊，便于控制模塊根據(jù)程序狀態(tài)判斷檢測(cè)工作是否需要調(diào)整。

5 控制方案

5.1 整體設(shè)計(jì)

因PLC 是數(shù)字運(yùn)算電子裝置，氣動(dòng)機(jī)械手操控中PLC的使用可滿足程序的高靈活度、高可靠性與簡(jiǎn)化復(fù)雜接線的需求。使用PLC 設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，需按照特定算法輸入輸出物理量，獲得相應(yīng)信息與數(shù)據(jù)，取得智能化控制管理氣動(dòng)機(jī)械手目標(biāo)。氣動(dòng)機(jī)械手程序設(shè)計(jì)中，內(nèi)容包含輸出處理、執(zhí)行程序、輸入處理及工作過(guò)程。以上內(nèi)容直接關(guān)系到程序的運(yùn)作效果與質(zhì)量。控制系統(tǒng)由許多元器件構(gòu)成，包括報(bào)警器、指示燈、壓力變送器、光電開(kāi)關(guān)、電磁閥等。采用主站+從站控制方式，可分步控制所有控制系統(tǒng)的功能，完成通信數(shù)據(jù)傳輸，防止功能故障引起的系統(tǒng)癱瘓問(wèn)題。

5.2 控制程序設(shè)計(jì)

PLC 程序在設(shè)計(jì)中使用多種算法，常見(jiàn)的有地推法、回溯法、貪婪法、分治法。使用PLC 模塊控制氣動(dòng)機(jī)械手時(shí)，結(jié)合使用需求分析操作方式，控制程序包括初始化程序、回原位程序和自動(dòng)程序。初始程序中，需要先復(fù)位狀態(tài)繼電器與定時(shí)器，為執(zhí)行后續(xù)程序內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。本次的控制程序使用模塊自帶的M8002 初始?xì)鈩?dòng)脈沖?；卦怀绦蛑?，機(jī)械手運(yùn)行時(shí)，特別是沖壓生產(chǎn)期間，氣動(dòng)設(shè)備需要在相同初始位置，從而讓機(jī)械手完全按照固定程序操作。在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要設(shè)備重新回到初始位置工作。設(shè)備初始狀態(tài)為真空機(jī)械手吸盤，原始狀態(tài)氣缸。自動(dòng)程序由自動(dòng)模式順序功能圖與自動(dòng)程序梯形圖兩部分組成，前者在既定的先后順序中完成控制，能讓機(jī)械手保持穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。在確定機(jī)械手初始運(yùn)行位置后，控制程序能進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行系統(tǒng)接收到運(yùn)行操作指令后，按照既定程序做出周期性動(dòng)作，在不斷重復(fù)中完成任務(wù)，直到工作人員點(diǎn)擊結(jié)束按鈕，才會(huì)停止工作回到初始狀態(tài)。后者在運(yùn)行中，同樣為既定程序順序操作。啟動(dòng)機(jī)械手后，如果滿足原位條件，就能自動(dòng)工作；如果不滿足條件則程序不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，反而會(huì)停止行動(dòng)。自動(dòng)程序梯形圖同沖床聯(lián)動(dòng)，在機(jī)械手將貨物轉(zhuǎn)移到模具后，PLC 發(fā)出指令控制沖床，沖床開(kāi)始工作，完成工作且貨物堆積到相應(yīng)數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，通知轉(zhuǎn)移貨物，此時(shí)機(jī)械手進(jìn)入自動(dòng)程序梯形圖步驟。

5.3 PLC通訊

在PLC 控制中，通信系統(tǒng)是非常重要的內(nèi)容。因?yàn)橛?jì)算機(jī)與PLC 是數(shù)字設(shè)備，所以達(dá)成通訊控制的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出效率高的數(shù)字信息傳遞程序。數(shù)據(jù)通訊包括并行與串行兩種通訊模式，在同一時(shí)間內(nèi)，并行數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收目的，有著較快的通訊速度，但成本比較高。雖然串行通信速度比較慢，但因?yàn)橛兄?jiǎn)單的線路設(shè)計(jì)，所以成為PLC 控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的情況。

5.4 系統(tǒng)測(cè)試

為保障PLC 系統(tǒng)能精準(zhǔn)控制機(jī)械手，需要結(jié)合系統(tǒng)操作需求設(shè)置相匹配的配件，設(shè)計(jì)安裝各部件操控模塊的程序，并試運(yùn)行。在調(diào)試好后，再連接電源，啟動(dòng)PLC模塊和控制程序。

正式測(cè)試控制程序時(shí)，機(jī)械手完全按照預(yù)設(shè)的PLC控制程序運(yùn)作，自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手旁邊放置的各種貨物。在工作人員點(diǎn)擊停止后，程序停止指令的傳輸，啟動(dòng)按鈕從綠色變成紅色，機(jī)械手不再繼續(xù)執(zhí)行程序。

機(jī)械手對(duì)氣缸驅(qū)動(dòng)非常依賴，使用PLC 驅(qū)動(dòng)可賦予氣動(dòng)機(jī)械手智能化操作能力。氣缸運(yùn)動(dòng)精度關(guān)系到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度，因?yàn)殡y以預(yù)測(cè)氣缸運(yùn)動(dòng)的軌跡，所以本文使用了實(shí)測(cè)軌跡的方式對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)量中得出，回轉(zhuǎn)氣缸誤差值0.54 mm，氣降氣缸誤差值0.58 mm，伸縮氣缸誤差值0.68 mm，表明PLC 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)定位精度非常高。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的PLC 控制系統(tǒng)，在氣動(dòng)機(jī)械手操作中取得了很好的效果，平衡了工控速度、精準(zhǔn)度，在柔和接觸中，保障生產(chǎn)控制效果，可以在熱塑件、精密儀器控制中使用。氣動(dòng)控制具有維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低、介質(zhì)來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，使用PLC 控制器擴(kuò)展比較簡(jiǎn)單，不需要考慮繼電器接線固定，使用軟觸點(diǎn)提高操作可靠性。使用程序編程的方式，讓氣動(dòng)機(jī)械手能更靈活地用于各種生產(chǎn)環(huán)境，保障系統(tǒng)操作精度與效果。