基于PLC的氣動機械手控制系統設計

張凱博1 付瑩2

遼寧錦州渤海大學工學院

基于PLC的氣動機械手控制系統設計

張凱博1 付瑩2

遼寧錦州渤海大學工學院

作為多功能機器中的一種，機械手能夠實現自動化的控制并且還能夠編程，機械手在很多的重要領域中有著很大的應用價值。驅動方式能夠是液壓傳動，也能夠是氣壓傳動，其次還能夠是電氣控制等。隨著計算機科學技術的飛速發展以及氣動技術的不斷進步，由于氣動技術自身具備著靈敏度高，資金成本低的優點，從而在工業生產的領域中有著廣泛的運用。本文介紹了基于PLC的氣動機械手控制系統。

機械手 PLC 氣壓傳動

1 機械手的基本結構

機械手執行的相關結構在機械手運動的過程中起到了很大的作用，充當的角色是運動的實體。機械手在工作方面的性能與執行的結構布局有著很大的影響作用。按照手臂的坐標形式進行劃分的的話，機械手的形式主要有球坐標式、圓柱坐標式、直角坐標式以及關節式。

1.1 直角坐標式

直角坐標式指的是在直角坐標空間中，能夠在空間的3個方向參與往返運動，直角坐標式的應用場合是具有行排列的工作位置，也可以和傳送帶一起使用。在很多的工業生產中直角坐標式機械手都有著廣泛的運用，例來自如麗水市某產品CF75-10-c-p-fo。這個產品的特性主要包括了以下幾點：（1）將加工裝配機械與進行生產的時候中的傳送帶能夠相互配合起來；（2）應用的場合主要是在裝箱類以及程序很繁瑣的環節中，另外變更定位實現起來很容易；（3）具有高精度的定位，精度的變化與載重的情況沒有任何關系。（4）結合開環或閉環，在數控裝置中，數控起來比較容易實現。但是該產品的不足之處就是機械手的工作范圍不是很寬廣。

1.2 圓柱坐標式機械手

圓柱坐標式機械手在很多的工業生產中都有著廣泛的運用，圓柱坐標式機械手的運動形式是直線運動以及回轉運動。圓柱坐標式機械手在搬運以及測量方面有著很高的應用價值。本文設計的控制系統是基于圓柱坐標式機械手，目標是在垂直方向實現上下運動，在左右方向實現旋轉運動。圓柱式機械手的特性為有著比較大的動作的范圍，簡單的結構以及良好的直觀性。將滑動套筒安裝在垂直的導柱中，在滑動套筒上安裝手臂裝，手臂的運動方向是上下直線運動，同時在水平面的運動是圓弧狀的，并且能夠實現左右方向的擺動。

2 氣動機械手控制系統的功能模塊

2.1 手動操作功能模塊

基于PLC的氣動機械手控制系統，根據通常情況下的控制裝置一般選擇的控制方法的目的是為了排查斷電回位以及分析出現故障的設備。手動操作的原理比較直接，當按下的是什么方向就會執行對應的按鈕。手動操作的實現過程如圖1所示。

圖1 手動控制圖

如果需要夾緊零件能夠通過手動操作完成，按下左邊的按鈕能夠實現程序經過編寫編譯之后形成新代碼，從而輸入到執行的相關裝置中，其中控制裝置的主體是PLC，最終達到接夾緊的目的。

3 PLC硬件分配

3.1 I/O分配

按照PLC硬件里面I/O分配原則，氣動機械手控制系統設計中的起停開關5點，旋轉限位的開關是6點，手動按鈕的開關是6點等氣爪夾緊的總共是20點，控制氣缸的電磁閥線圈有8個，本文的PLC的I/O分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

本文設計的氣動機械手控制系統的輸入點一共有20個，其中的輸出點一共有9個，根據相應的原則，輸入和輸出的繼電器都是32點。按照相關的要求設計出的機械手的控制面板圖如圖2所示。

圖2 機械手的控制面板圖

面板中包括理論一個手動開關，這個開關能夠實現循環、手動以及單周，從而實現切換功能，操作以前需要進行的是選擇合適的工作方式。

3.2 PLC的工作原理

運行中應用PLC，整個工作過程主要包括了三個階段，分別是輸入采樣、執行用戶程序以及刷新輸出等。這整個過程是也叫一個掃描周期。當系統運行中，CPU會執行上述的三個流程，速度選擇的是掃描的速度。

3.2.1 輸入采樣階段

該過程進行的是將數據以及輸入的狀態存儲到I/O映像單元中，而且輸入的方式是掃描的。

3.2.2 用戶程序執行階段

該過程中，當I/O映像區的數據以及狀態改變的時候，而輸入點不變化，保存在RAM存儲區的數據以及狀態也許就會出現變化，同時梯形圖程序的輸出結果會影響到上面的梯形圖，其中這些梯形圖包括了線圈和數據等。另一方面，下面的梯形圖在下一個掃描周期能夠對上面的梯形圖程序產生影響。

3.2.3 輸出刷新階段

用戶掃描程序結束以后，下一步就是輸出刷新階段。該階段中，CPU根據I/O映像區中的相應數據刷新以及狀態的輸出鎖存電路，接著就會外部設備電路將會驅動。

4 PLC控制系統設計

4.1 順序功能圖

順序功能圖通常是在動作設計中根據特定的先后順序執行才可以確保在整個生產流程中控制系統能夠成功地運行。控制系統的設計路線是根據特定的規則展開的，從而保證控制任務的完成。很多的初學者通常都會接受該方法，而且有助于提高工程師的工作效率。該方法中涉及到了專用的編程元件，而且還設計了用來編制控制程序的功能圖，這種方法已經是現今PLC程序中的常用的方法。根據控制任務的相關需求，從原點位置的右邊，上面出發，規定順序執行的動作線路是朝擺動缸的方向左擺，接著水平氣缸伸出，垂直氣缸伸出，吸持工件，最后垂直氣缸退回，原位返回，這是一個循環的過程。由于當在整個執行的過程中，當問題或者停電的這些意外的因素發生的時候，就要用到手動的方式進行操作，氣動機械手動流程圖如圖3所示。假如選中手動操作方式，X22開關會打開，水平伸出的動作將會被執行，此時到位后發出的信號就會被傳感器檢測到，X1等于ON意味著伸出停止。

圖3 氣動機械手動流程圖

4.2 PLC控制系統梯形圖程序

設計梯形圖的過程中需要先設置開關X10等于1，從而選擇手動的執行方；當X10等于1的時候，程序會自動地執行，能夠根據程序控制的相關指令CJ完成，梯形圖程序如圖3所示。編寫梯形圖的方法有很多，能夠采取起保停的方式，也就是根據條件進行起動從而實現自鎖，當下一個狀態是滿足一定條件的時候就會將上一個狀態切斷，也能夠通過SET指令與指令RST實現；其中典型的梯形圖的特征是以STL主的步進梯形圖。

結語：本文主要介紹了基于PLC的氣動機械手控制系統，闡述了機械手的相關概述、手動控制模塊的，機械手的基本結構，并且還設計了PLC的控制系統的梯形圖程序。本文中詳細完成了流程圖的設計。PLC的工作原理主要是圍繞著三個階段展開，分別是輸入采樣、執行用戶程序以及刷新輸出等。

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