PLC氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

雷利霞

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300)

0 引言

氣動機(jī)械手作為我國工業(yè)領(lǐng)域中的常用設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、操作簡單且動作迅速等優(yōu)點(diǎn)。由于氣動機(jī)械手通過借助氣壓傳動的特性成功擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范疇。隨著更高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)需求，氣動機(jī)械手也逐漸向智能化方向發(fā)展，作為氣動機(jī)械手的核心技術(shù)，PLC控制技術(shù)目前的發(fā)展還存在一定的問題，如果能夠?qū)⑦@些問題優(yōu)化，那么氣動機(jī)械手的智能化將會取得更好的發(fā)展。

1 氣動機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域中的重要性不言而喻，機(jī)械手共有三種類型，分別為手動機(jī)械手、電動機(jī)械手及氣動機(jī)械手，由于氣動機(jī)械手能夠擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范疇的特性，因此，氣動機(jī)械手成為了工業(yè)領(lǐng)域的普遍選擇[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人們對于機(jī)械加工工藝的要求越來越嚴(yán)格，對于機(jī)械手的要求也從原來的僅僅只需要上下、左右或者伸縮功能之外，現(xiàn)在還要求氣動機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動化工作，即通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行氣動機(jī)械手的自動化控制。

氣動機(jī)械手的控制結(jié)構(gòu)由氣動裝置及PLC控制系統(tǒng)兩個部分組成，其中氣動裝置的控制元件有三種，分別為單向閥、單向節(jié)流閥及先導(dǎo)式電磁閥。氣動裝置的執(zhí)行元件則為氣缸和氣動馬達(dá)，這兩個元件可以將裝置中的空氣壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

機(jī)械手在運(yùn)作時有幾個基本功能模塊，分別為手動操作模塊、半自動化操作模塊，以及全自動化操作模塊[2]。其中氣動機(jī)械手最基本的功能就是手動操控，設(shè)置這個功能的目的是防止機(jī)械出現(xiàn)故障及斷電時可以手動操控機(jī)械回位。半自動化操作模塊即通過人為操控機(jī)械的開始及停止，這個過程也需要PLC控制系統(tǒng)的參與。全自動化操作模塊則實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的獨(dú)立運(yùn)作，直接在系統(tǒng)中設(shè)置好相應(yīng)的程序，機(jī)械手就會按照既定的路線運(yùn)作。

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

氣動機(jī)械手由于其操控簡單，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力的特性，所以在工業(yè)領(lǐng)域的各個行業(yè)被廣泛應(yīng)用，通過PLC進(jìn)行編程來控制氣動機(jī)械手的運(yùn)作，可以讓其實(shí)現(xiàn)自動化的運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅可以節(jié)約人力，還可以有效保護(hù)操作者的安全，因此，如何設(shè)計(jì)好該程序，讓機(jī)械手合理地運(yùn)行十分重要，機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作分為四個部分，分別是機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及通訊設(shè)計(jì)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

在氣動機(jī)械手的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，存在內(nèi)接線復(fù)雜、靈活性差及可靠性低等問題，而PLC的應(yīng)用就完美解決了這些問題。PLC是通過數(shù)字運(yùn)算來進(jìn)行操作的電子裝置[3]。利用PLC對機(jī)械手進(jìn)行控制，是利用特定的算法來進(jìn)行物理量輸入與輸出的控制，通過這些物理量可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來達(dá)到控制機(jī)械手的目的。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時，有三個過程，即輸入、執(zhí)行及輸出。輸入的是任務(wù)開始時的條件，然后再通過一定的程序控制機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)，最后機(jī)械手的工作達(dá)到了一定條件之后完成工作，不再運(yùn)行。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC選型

利用PLC進(jìn)行氣動機(jī)械手的控制，主要是依靠氣缸動作進(jìn)行控制，而氣缸動作是否能夠準(zhǔn)確控制機(jī)械手的動作，主要通過磁性限位開關(guān)來進(jìn)行判斷。在氣動機(jī)械手的氣缸內(nèi)，需要進(jìn)行伸出及縮回兩個動作的檢測，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要分別針對這兩個動作安裝限位開關(guān)，再加上啟動、停止的動作，以及機(jī)械手在執(zhí)行升降或伸縮等動作需要的輸入及輸出點(diǎn)，不同的機(jī)械手由于使用目的不同，在輸入輸出點(diǎn)的需求方面也存在一定的差異，所以在進(jìn)行PLC選型時需要考慮其輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并且還要考慮到PLC的質(zhì)量，這就是PLC選型時需要注意的地方[4]。

2.2.2 機(jī)械手控制面板設(shè)計(jì)

機(jī)械手的控制面板設(shè)計(jì)也根據(jù)具體的需求進(jìn)行，在進(jìn)行具體操作前需要進(jìn)行工作方式的選擇。圖1為機(jī)械手控制面板的設(shè)計(jì)例圖，其不同的功能均共用一個開關(guān)，選擇不同的功能時，扭動開關(guān)即可進(jìn)行切換。

圖1 機(jī)械手控制面板圖例

2.2.3 PLC外部電氣接線設(shè)計(jì)

根據(jù)不同用途，以及工作時的控制系統(tǒng)需要具備的特性，再結(jié)合PLC系統(tǒng)的控制方式來進(jìn)行PLC外部電氣接線圖的設(shè)計(jì)。

2.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，需要用到一些特定的算法，如遞推法、回溯法等。

在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時，會根據(jù)機(jī)械手的工作目的進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，即根據(jù)其功能來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過功能將控制系統(tǒng)分為三類，分別為初始化程序、回原位程序及自動程序[5]。

2.3.1 初始化程序設(shè)計(jì)

為了使?fàn)顟B(tài)繼電器等電子元件復(fù)位，能順利進(jìn)行接下來的程序執(zhí)行工作，所以要進(jìn)行初始化程序設(shè)計(jì)，PLC本身可以為程序的氣動提供M8002初始脈沖。

2.3.2 回原位程序設(shè)計(jì)

在機(jī)械手工作的過程中，由于既定的程序是從原位開始，若中途出現(xiàn)一些意外情況，如停電、機(jī)械故障等，就需要進(jìn)行機(jī)械手的復(fù)位，否則機(jī)械手就不能夠按照既定的程序繼續(xù)運(yùn)行，會影響機(jī)械手的工作，所以需要設(shè)計(jì)讓機(jī)械手返回原位的程序。

機(jī)械手是否處于原位通過它的吸盤及氣缸狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)機(jī)械手處于原位時，它的吸盤處于真空狀態(tài)，并且氣缸也處于原始狀態(tài)，當(dāng)氣缸處于原始狀態(tài)時，升降氣缸會處于上升限位狀態(tài)，水平氣缸則會處于縮回限位狀態(tài)，機(jī)械手整體會呈現(xiàn)出左轉(zhuǎn)限位的狀態(tài)。

2.4 自動程序設(shè)計(jì)

自動程序設(shè)計(jì)決定了機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)，共分為兩個部分，分別為自動模式順序功能圖及自動程序梯形圖。

2.4.1 自動模式順序功能圖

會動機(jī)械手進(jìn)行自動化運(yùn)作時，其不同的動作具有先后順序，以此來保證機(jī)械手工作順利進(jìn)行，自動模式順序關(guān)乎著機(jī)械手運(yùn)行的穩(wěn)定性，所以在機(jī)械手自動化的整體程序設(shè)計(jì)中是特別重要的一環(huán)。具體的設(shè)計(jì)過程為：自動系統(tǒng)首先要確認(rèn)機(jī)械手是否處于初始位置，如果處于初始位置，則開始程序的自動運(yùn)行，機(jī)械手的自動化運(yùn)行系統(tǒng)在受到開始運(yùn)行的指令后，就按照既定的程序開始固定的運(yùn)作，并且不斷周期性地重復(fù)，直到工作人員按下停止按鈕，之后機(jī)械手會停止正在進(jìn)行的工作，并且自動返回初始位置，方便下次工作。

2.4.2 自動程序梯形圖

自動化的生產(chǎn)雖然提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率，但是也會受到產(chǎn)品堆積的問題困擾。通過氣動機(jī)械手生產(chǎn)的產(chǎn)品會堆放在固定位置，但是如果沒有對該位置的產(chǎn)品進(jìn)行及時清理，那么過度堆積的產(chǎn)品最終會影響到氣動機(jī)械手的運(yùn)行。甚至有可能造成氣動機(jī)械手的卡頓、損壞，給企業(yè)帶來損失。通過設(shè)計(jì)自動程序梯形圖，即可有效解決產(chǎn)品堆積的問題。當(dāng)產(chǎn)品堆積到一定數(shù)量時，氣動機(jī)械手會自動停止工作，等到工作人員將堆積的產(chǎn)品清理后，氣動機(jī)械手再開始產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。氣動機(jī)械手的自動程序梯形圖根據(jù)氣動機(jī)械手的用途，還有產(chǎn)品池的儲存能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5 通訊設(shè)計(jì)

通訊系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)的核心，是氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)對于外部環(huán)境感知的途徑。在氣動機(jī)械手工作時，其位置決定著控制系統(tǒng)的下一步指令，控制系統(tǒng)通過通訊系統(tǒng)反饋的信息進(jìn)行氣動機(jī)械手的控制。如，當(dāng)需要進(jìn)行氣動機(jī)械手復(fù)位時，通訊系統(tǒng)會將當(dāng)前氣動機(jī)械手的位置反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再“發(fā)布”控制命令，控制氣動機(jī)械手完成復(fù)位。控制系統(tǒng)還會根據(jù)通訊反饋的數(shù)據(jù)信息判斷氣動機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)故障問題，可以自動停止氣動機(jī)械手的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)通訊的方式有兩種，一種為串行，該方式傳輸速度較慢，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，并且設(shè)計(jì)簡單，所以這種方式在PLC控制系統(tǒng)中被普遍采用。另一種為并行，相較串行而言，信息傳輸速度明顯更快，但是它的成本比較高。企業(yè)需要嚴(yán)格控制生產(chǎn)成本，以增加企業(yè)的經(jīng)營利潤，并行方式的信息傳播速度雖然快，與串行相比，其性價比相對較低，企業(yè)一般不會選擇這種高成本的方式。

3 控制系統(tǒng)測試

氣動機(jī)械手的程序編寫工作完成之后，需要進(jìn)行測試，通過測試確保程序穩(wěn)定。測試的一般流程為：首先確保氣動機(jī)械手處于初始狀態(tài)，如氣動機(jī)械手處于其它位置，那么需要進(jìn)行手動復(fù)位調(diào)整。將氣動機(jī)械手調(diào)整至初始位置后，即可開始控制系統(tǒng)的測試，通過系統(tǒng)控制氣動機(jī)械手運(yùn)行，完成一次完整的運(yùn)作。測試人員要觀察氣動機(jī)械手運(yùn)行的每一個細(xì)節(jié)，并做好記錄工作。氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的首次測試具有較高危險(xiǎn)性，測試人員要注意保障自己的人身安全，如果發(fā)現(xiàn)氣動機(jī)械手的運(yùn)行存在問題，那么要立即停止測試，將氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的問題更正后繼續(xù)進(jìn)行測試，直到排除所有隱患，并確保氣動機(jī)械手可以在連續(xù)多次的運(yùn)作中保持工作正常。

4 結(jié)語

氣動機(jī)械手可以為企業(yè)提供大量生產(chǎn)力，節(jié)約企業(yè)的人力成本，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多收益，對工業(yè)生產(chǎn)而言，氣動機(jī)械手十分重要。當(dāng)今社會，人們對于自動化程度高的設(shè)備有著越來越大的需求及依賴性，氣動機(jī)械手的全自動化也更有利于工業(yè)生產(chǎn)，可以為企業(yè)創(chuàng)造更大的價值。基于PLC系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)氣動機(jī)械手的自動化運(yùn)作，根據(jù)不同的生產(chǎn)需求，需要設(shè)計(jì)不同的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工作人員要嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)，避免程序設(shè)計(jì)出現(xiàn)漏洞，造成氣動機(jī)械手的故障甚至造成企業(yè)損失。在設(shè)計(jì)完成之后一定要嚴(yán)格進(jìn)行系統(tǒng)測試工作，避免程序漏洞帶來問題，此外，企業(yè)可以根據(jù)自身情況進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的選擇，既要符合企業(yè)經(jīng)營的需要，又盡可能地為企業(yè)節(jié)約成本。