基于PLC的氣動爬桿機器人設計

郭昊坤

（江陰職業技術學院電子信息工程系，江蘇 江陰 214405）

0　引言

在市政工程中，有大量的安裝、維修等工作需要爬桿作業，對于有些直徑較細、強度較小、人工爬桿難度大的桿件，如果實的采摘、樹枝的修剪、路燈燈泡的更換、高壓輸電設備的檢修和大型桁架結構建筑的維修等，工人在進行高空作業時有一定危險性，同時造成工作效率不高[1-3]。同時，若用高空水壓的方式清理，在一定程度上還會造成水資源的浪費，而且清洗水的運輸，和噴射槍的發射還需要消耗其它能源。

且隨著科技的進步，高空作業高度越來越高，人工作業越發困難，傳統的人力噴水清理方式的缺點已日益顯著[4]。故若能利用爬桿機器人[5-9]完成相應高空作業，可以滿足科技發展的要求，提供高效率、高規格、低風險、低能耗的高品質作業。本文基于PLC[10-11]設計了一種智能型氣動式爬桿機器人，給出了其設計方案、硬件與軟件系統設計，并通過聯機調試證明了其正確性。

1　總體方案設計

爬桿機器人由多氣缸組合結構完成爬行動作，所有氣缸采用高精度短行程缸，包含多種電磁閥控制組合，設有過行程緩沖裝置從硬件上保護設備安全，同時設有限位行程開關裝置提供電信號反饋從軟件上保護設備安全。主要由前臂爬行結構、前臂夾緊結構、體形爬行結構、后臂爬行結構、后臂夾緊結構、緩沖保護裝置、限位保護裝置、多點定位感測裝置、特制爬桿結構、氣動電磁閥組合和輸入、輸出接口模塊等組成。如圖1所示，前臂爬行結構、前臂夾緊結構完成機器人的前臂驅動功能，體形爬行結構完成機器人身體上下運動功能，后臂爬行結構、后臂夾緊結構完成機器人后臂驅動功能，模仿人體爬行運動的原理進行控制。

圖1　爬桿機器人整體結構Fig.1 Overall structure of climbing robot

可編程控制器(PLC)具有靈活性很好、操作性很強、通用性很廣泛等優點，已在工業控制領域中得到廣泛應用[12-15]，本設計采用PLC技術完成對爬桿機器人的控制，以壓縮空氣為能源對氣缸進行動作，根據實際需求運行，當機器人不在左右限位的時候，自動退回原點，然后再進行相應的動作，其運行流程如圖2所示。

2　硬件系統設計

本設計中最主要的硬件模塊為氣動系統，主要由氣源裝置、執行元件、控制元件、輔助元件組成等組成。如圖3所示，前臂后臂我選用的是型號相同的氣缸，皆為超薄氣缸。1B1、1B2、3B1、3B2磁感應接近開關，安裝在前臂和后臂氣缸的最上端與最下端。體形氣缸為雙軸氣缸，2B1和2B2為安裝在體形氣缸的兩個極限位置的磁感應接近開關。三個電磁閥依次控制后臂、體形、前臂氣缸的伸縮。PLC硬件接線圖如圖4所示。

圖2　機器人動作流程圖Fig.2 Robot action flow chart

圖3　氣動系統Fig.3 Pneumatic system

3　軟件系統設計與調試

根據圖2所示機器人運行流程，本設計的軟件系統設計主要為右爬、左爬及回原點三大程序的編寫，其右行啟動順序功能圖、左行啟動順序功能圖以及回原點順序功能圖分別如圖5、圖6、圖7所示。

將PLC和爬桿機器人進行連接，主機輸入公共端S/S接開關電源的24 V，輸出端COM1、COM2接開關電源的0 V。用實驗導線接模型的弱電柱時，紅色弱電柱短接后接24 V，黑色弱電柱短接后接0 V，黃色弱電柱接對應的PLC輸入點。氣動閥電磁線圈的黑色導線接PLC輸出，紅色導線短接接24 V。爬桿機器人的左右磁性限位接24 V電源，中間其他的限位黑色接COM端，黃色接相應的限位（黃色的端口是為了取限位的反應，是否得電）。如圖8所示，當機器人在左限位時，X003，X005，X007，X011得電，才能啟動運行開關。后經過調試實驗，機器人可順利實現各種預期功能，所設計的裝置正確有效。

圖4　PLC接線圖Fig.4 PLC wiring diagram

圖5　右行啟動順序功能圖Fig.5 The right line starts the sequence function chart

圖6　左行啟動順序功能圖Fig.6 The left line starts the sequence chart

圖7　回原點順序功能圖Fig.7 Homing sequence char

4　結語

隨著科技的進步，高空作業高度越來越高，人工作業越發困難，各種傳統高空作業方式的缺點已日益顯著。本文設計了一種基于PLC的氣動爬桿機器人，給出了機器人動作流程圖、氣動系統硬件圖、PLC硬件接線圖、右行啟動順序功能圖、左行啟動順序功能圖、回原點順序功能圖等，并通過聯機調試證明了其正確性。

圖8　PLC初始運行圖Fig.8 PLC initial operation diagram

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