基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學校， 江蘇 鹽城 224000）

基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡愛民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學校， 江蘇 鹽城 224000）

作為一種能夠進行自動定位的控制設(shè)備，機械手能夠依靠編程的方式成為一項極具實用性的多用設(shè)備。它在工業(yè)自動化生產(chǎn)中占據(jù)著重要的位置。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及氣動技術(shù)和傳感技術(shù)的進步，研究領(lǐng)域?qū)`敏、廉價以及經(jīng)濟的氣動技術(shù)研究越來越關(guān)注。本文針對機械手各功能實現(xiàn)形式和控制方式進行研究，設(shè)計了SFC機械手控制系統(tǒng)圖、指令表以及梯形圖等程序，該研究成果為相關(guān)的工程設(shè)計領(lǐng)域提供工程實踐技術(shù)和理論參考。

PLC控制；氣動機械手；系統(tǒng)設(shè)計；智能應(yīng)用

自從PC機在上世紀80年代問世以來，極大的的促進了工業(yè)控制軟件的發(fā)展和進步，出現(xiàn)了大量的新興控制軟件，包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、PC控制系統(tǒng)以及人機交互系統(tǒng)等。我國也研發(fā)了大量具有自主產(chǎn)權(quán)的先進軟件設(shè)備，包括過程優(yōu)化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等等。通過這些軟件系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，有效的提高了國內(nèi)工業(yè)控制和化工控制的經(jīng)濟效益。在自動控制技術(shù)不斷進步的過程中，現(xiàn)代化程度要求越來越高的技術(shù)指標，自動控制領(lǐng)域開始越來越重視以氣、液和機電一體的控制裝置。我們此次研究的氣動控制機械手就是一個充分結(jié)合了電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

1 PLC程序設(shè)計算法分析

本次編程過程中的具體要求是要能根據(jù)具體要求實現(xiàn)機械手的控制功能。假定初始位置為原點；松開、后退以及后邊狀態(tài)為初始設(shè)置；可以進行手動操作和自動操作。

（1）遞推法。我們從該方法的名字中能夠想到該方法就是借助于邏輯關(guān)系進行層層遞推的過程。在進行此次設(shè)計的過程中先是對控制系統(tǒng)中機械手的工作順序進行標注，并對各個執(zhí)行狀態(tài)和動作之間的關(guān)系進行理清，之后依靠遞推關(guān)系將機械手的工作流程以邏輯圖的形式設(shè)計出來。關(guān)系邏輯對于程序設(shè)計具有一定的限制作用，針對這種情況我們需要對系統(tǒng)加入程序之后的功能實現(xiàn)以及條件限制進行反復推敲。

（2）回溯法。使用回溯法也是進行流程圖設(shè)計的一個重要方法，下面具體介紹了設(shè)計思路：在分析過程中針對具體任務(wù)進行，并繪制相應(yīng)的流程圖，這樣一來思路一旦發(fā)生錯誤就無法實現(xiàn)最大的解決效果。最后再重新回到初始，重新開始設(shè)計。需要注意的關(guān)鍵問題：設(shè)計過程中返回到何處。

（3）分治法。利用分治法在此次設(shè)計過程中進行

模塊化設(shè)計。主要方法是：先根據(jù)工作順序要求機械手完成相應(yīng)的功能模塊。其次，可以實現(xiàn)左伸-右縮、下伸-上縮、水平伸縮回等，這些小的模塊設(shè)計中標記為狀態(tài)符號。最后，通過使用梯形圖代替步進指令的方法，并結(jié)合具體動作情況完成整個控制功能的實現(xiàn)。

（4）貪婪法。在范圍內(nèi)將所有和條件吻合的情況進行最大化考慮，任意從中選取一個解決方法的方式就是貪婪法。此次設(shè)計根據(jù)基本思維符合設(shè)計要求的思路進行選取，所以在執(zhí)行過程中需要對每個步驟進行一起一停的操作方式，另外將限制條件加入線圈內(nèi)，利用基本控制程序?qū)崿F(xiàn)具體的控制操作。還有一種方法就是使用 RST和SET指令來完成整個控制過程。這里常用到的控制方法包括使用提醒程序圖代替后續(xù)設(shè)計圖，在過程中把所有出現(xiàn)的動作當成狀態(tài)。

2 氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 順序功能圖

通常情況下我們主要將順序功能圖應(yīng)用在執(zhí)行過程按照先后次序，應(yīng)用的對象是設(shè)計動作來完成生產(chǎn)過程的正常運行時控制系統(tǒng)，按照規(guī)定的路線step-step對控制任務(wù)進行實現(xiàn)。不僅對初學者而言，該控制方法簡單易學，而且也能有效的提高高級工程人員的設(shè)計效率。在進行控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中經(jīng)常需要運用該設(shè)計方法。該SFC圖設(shè)計過程中提供了通、專兩用的設(shè)計元件，是為編程控制系統(tǒng)設(shè)計提供輔助的功能圖。在當下進行PLC程序設(shè)計的過程中大量應(yīng)用該功能圖。

根據(jù)具體的控制任務(wù)，設(shè)計過程從原點左側(cè)到右側(cè)依次執(zhí)行動作任務(wù)，根據(jù)功能圖依次進行左擺擺動缸，伸出垂直氣缸，工件吸持，退回垂直氣缸，退回水平氣缸，右擺擺動缸，伸出水平氣缸，伸出垂直氣缸，工件放松，退回垂直氣缸，退回水平氣缸，回歸原位。

圖1 氣動機械手手動流程圖

一旦有故障在執(zhí)行過程中出現(xiàn)，比如停電、執(zhí)行錯誤等意外情況，就要轉(zhuǎn)換為手動控制方式，所以需要進行手動控制設(shè)置，圖1展示了具體的操作流程。在切換為手動操作以后，X22開關(guān)會進行閉合，并進行水平伸出操作。當傳感器完成檢測任務(wù)以后會將控制指令直接發(fā)出，此時開啟的X1不再伸出。其他工作任務(wù)類似于該工作過程，工作過程大致為水平縮回，垂直伸出，向右擺出，垂直縮回，氣爪抓緊，向左擺回，氣爪松開。

2.2 氣動機械手總體SFC圖

當X11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 22, 23同時存在并且處于開啟狀態(tài)的只有一個的時候，此時就要用到轉(zhuǎn)換開關(guān)，使用轉(zhuǎn)換開關(guān)的目的就是為了實現(xiàn)單一性的控制方式。通過這種方式能夠有效的降低危險以及錯誤發(fā)生的概率。自動切換開關(guān)X10處于開啟狀態(tài)的時候，系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)，當X10為關(guān)閉狀態(tài)的時候，此時系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。圖2具體展示了機械手自動控制程序的大體構(gòu)成。方式開關(guān)是決定系統(tǒng)原始狀態(tài)是自動還是手動控制的關(guān)鍵。如果我們切換為自動控制以后，機械手并沒有回到初始位置，我們就要進行以下操作：通過手動方式將機械手回歸原位，然后在開始進行自動控制。當控制系統(tǒng)完成一個控制周期以后，工作選擇開關(guān)會對全自動還是單周期自動操作進行選擇。

圖2

3 PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序

通過圖3我們可以看到梯形圖的總體設(shè)計路線如下：當X10開關(guān)處于1時，系統(tǒng)進行手動操作; 當X10處于0時，系統(tǒng)選擇進行自動操作。利用指令CJ可以對該設(shè)計過程種的控制方法進行實現(xiàn)，從而完成圖4當中的程序結(jié)構(gòu)。另外，編制梯形圖的方法具有多樣性，如起-保-停過程。所以，我們也可以根據(jù)具體條件先進行啟動，然后保持的操作，當開始出現(xiàn)下一個操作的時候立刻終止上一個動作，可以通過RET和SET來進行實現(xiàn)；STL就是一個典型的步進梯形圖。

3.1 手動梯形圖程序

手動操作過程就需要使用手動梯形程序，它的工作狀態(tài)是當單獨使用按鈕進行位移時來完成對機械手的調(diào)整過程。如果一開始機械手并不在初始位置，則可以使用手動方式將機械手回歸原位。我們選擇作為端點進行輸入端操作，這個時候就需要使用手動工作。分別用到對應(yīng)的一系列控制按鈕進行手動操作機械手的執(zhí)行。圖4具體展示了手動操作程序。當閉合開關(guān)的時候就能夠讓機械手松開所抓物體。

如果操作過程中需要通過手動方式將機械手回歸到初始位置，就需要使用將閉合實現(xiàn)對氣缸的夾緊，使用縮回水平伸縮缸縮；想要夾緊氣爪缸需要閉合開關(guān)。還有為時，水平缸表現(xiàn)為水平伸出的狀態(tài)；為時，水平缸表現(xiàn)為水平縮回的狀態(tài)。

3.2 自動梯形圖程序

控制程序是自動梯形圖的主要組成，通常分為單步形式、連續(xù)形式和周期形式。以上三種形式的主要區(qū)別在于是允許轉(zhuǎn)換標志還是連續(xù)標志。非單步和單步的主要區(qū)別在于：當系統(tǒng)在執(zhí)行周期性或者連續(xù)性工作的時候，的觸點實現(xiàn)，對步與步轉(zhuǎn)換方式的允許。

4 結(jié)語

氣動機械手在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，本文以機械手為對象，詳細介紹了機械手控制系統(tǒng)PLC的4種算法，并闡述了基于可編程控制器PLC氣動機械手的控制系統(tǒng)。

[1]林明星.電氣控制及可編程序控制器[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2]李青虹.基于PLC的注塑機液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計[J].南通大學學報:自然科學版,2012(4):23-25.

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