工控技術在機械手控制系統中的應用與分析

賈繼鵬，趙芳琴

（西寧城市職業技術學院，青海西寧 810016）

0 引言

目前，隨著科學技術的飛速發展，自動化技術的不斷普及，PLC 控制技術、變頻調速技術、觸摸屏技術，包括步進電機、伺服電機等在工業控制領域的應用已經非常廣泛[1]。尤其在工廠生產過程的自動化領域，各大生產企業通過不斷開展技術升級改造，提高工廠自動化程度，提升產品生產效率，通過技術改進和科技創新提升公司的核心競爭力，從而擴大公司產品在市場的占有率。因此，工控技術的大力發展而帶來的技術進步一定會極大地促進自動化領域的快速發展，帶來社會經濟效益的提升[2]。

1 工程項目實例

某企業在采用自動化設備開展產品生產，在其自動化生產線中，其中基礎環節為搬運環節，機械手需要將工件從A 處搬運到B 處，然后通過傳送帶將工件運輸出去。工業機械手的全部動作由氣缸驅動，氣缸由對應的電磁閥來控制。其中，上升/下降、伸出/收縮和放松/加緊由一個線圈兩個位置的電磁閥來控制。原點為左上方能到達的極限位置，原點處機械手屬于放松態。工作過程：按下啟動按鈕→機械手下降到A 處→抓緊工件→上升頂端→伸出到右端→下降到B 處→釋放工件→機械手上升到頂端→橫向縮回原點，依次循環（圖1）。中途如果按下急停按鈕，則當次循環完成后返回原點后停止。本文將以步進順控指令為例，對機械手的控制開展設計思路和調試的介紹。

圖1 工業機械手工作原理

2 控制電路硬件設計

在采用PLC 對設備進行控制時，通常具有一套相對固定的工作過程：①應該對控制項目開展功能和要求的分析，厘清項目工作思路；②應該根據項目的功能和要求，以表格的形式列出項目需要用到的PLC 輸入、輸出元器件及I/O地址分配表；③設計主電路和控制電路，完成對項目的硬件電路的準確搭建；④根據項目控制要求和功能，構思程序編制的思路，在GX 軟件中編寫PLC 程序，并調試無誤；⑤將實現完整功能要求的程序下載到PLC 控制器中，并按照安全規范實施設備的單機調試和聯合調試。

2.1 PLC 的I/O 地址分配

在本控制系統中，采用了三菱FX3U48MR 型的PLC 控制器，共計接入8 個輸入信號6 個輸出信號，其中有2 個開關按鈕（SB1～SB2）和6 個限位檢測開關（SQ1～SQ6），見表1。作為PLC的控制對象，輸出控制元件主要為氣缸，如升降氣缸、伸出/縮回氣缸、抓緊/釋放氣缸等，分別為Y1～Y6。

表1 機械手控制系統I/O 地址分配

2.2 機械手硬件電路接線設計（圖2、圖3）

圖2 機械手控制系統硬件接線

3 步進順控與軟件程序設計

3.1 步進順控指令介紹

在PLC 技術中，通?？梢杂貌竭M順序控制指令來對設備進行控制，可以將復雜的問題簡單化、流程化，從而方便快捷的實現控制要求。順序控制就是按照預先規定的順序，對設備進行有序的操作。它將系統的一個工作過程分為若干個順序相連的階段，每個階段稱為步或工步（狀態）。

步進順控主要有步進開始指令STL 和步進結束指令RET。STL 表示激活某個狀態，RET 則是表示流程結束，返回左母線。二者的操作對象為S0～S899 的狀態繼電器，一般地，步進程序由初始狀態（S0）、普通狀態（S20 等）和狀態轉移條件組成，當狀態轉移的條件滿足時，程序將會跳出當前結果，執行下一狀態程序[3]。具體應用如下列SFC 編制和程序設計敘述。

3.2 程序編寫思路

在程序的編寫之前，首先要開展狀態轉移圖（SFC）的編寫，狀態轉移圖其實就是對項目具體工作過程的圖形化表示，它以一定的規律將項目的功能和要求完整清晰地表示出來。根據機械手工程實例的運行流程，分析出基于每一工步的狀態結果，構建好機械手控制系統的狀態轉移圖（圖3），隨后將步進SFC 轉化為步進梯形圖，最后轉化為梯形圖，可以得到基于步進順控指令的機械手控制程序，關鍵程序段如下：

圖3 狀態轉移圖（SFC）

（1）起始程序設計：機械手左上方，當升降氣缸上限位檢測開關SQ1（X2）接通、伸縮氣缸左限位檢測開關SQ4（X4）接通時，可以確定氣缸就在原始位置，可以讓其在掃描周期內接通并進入S0 初始狀態，程序編制如圖4 所示。

圖4 機械手啟動前的初始狀態程序設計

（2）中間過程程序設計：工步執行的第一段程序，即按下啟動按鈕，程序進入S20 狀態，后激活S20，完成氣缸（機械手）的下降動作。隨后，當機械手到達下限位，碰觸到下限位開關X3，則會啟動S22 狀態，實現對工件的抓緊動作，程序編制如圖5 所示。

圖5 氣缸（機械手）下降

（3）結束程序處理：步進程序結束時，要用RET 作為步進程序執行完畢的標志，在本程序設計時一方面要考慮在程序結束時不能立即停止機械手運行，應該讓其完成正在執行的過程，然后回到工作原點狀態（圖6）。

4 工程調試與結果分析

在GX Works2 軟件中寫入PLC 程序，然后開啟在線模擬監視模式，若發現PLC 程序有錯誤，則退出監視模式，在編輯模式下面完成程序修改，重新寫入并運行。

經檢驗硬件電路沒有問題且無安全隱患之后，就可以給整個系統通電，測試并開展帶載單步調試，觀察系統在單步調試模式下能否符合控制要求。如果出現故障，應獨立檢修；如果無故障，則可以開展機械手控制系統整體調試。

5 結束語

步進順控指令在機械手控制的工程案例的應用中十分方便，編程思路簡單、清晰，能夠有效的為工程技術人員節約時間，實現對自動化設備的快速設計、快速檢修。在工廠生產實際，機械手控制系統還可配套采用觸摸屏技術和變頻調速技術[4]，在人機對話和執行效率上更加人性化、方便化，利于工業自動化系統的優化和升級，在機械手控制的基礎上，利用先進技術實現工業的互聯互通，實現云端工廠[5]。