基于PLC控制系統的氣動機械手設計

張曉輝，李衛新

（1．濮陽市鍋爐壓力容器檢驗所，河南 濮陽 457000；2．濮陽市質量技術監督檢驗測試中心，河南 濮陽 457000）

機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高科技技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，這就更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。

PLC 在工業生產過程自動控制領域得到了廣泛的應用，具有結構簡單、易于編程、性能優越、可靠性高、靈活通用等優點；氣動技術也是實現自動化控制的重要手段之一，特別是在非污染行業占有重要的地位，氣動技術中的壓力介質來自于空氣，環境污染小，容易實現控制工程。

1 工作原理

1.1 氣動機械手組成

該氣動機械手由步進電機、直線導軌、氣缸、傳感器、定位開關、行程開關、支架、機械零部件構成；控制系統由氣動裝置和PLC 控制系統組成。PLC 控制系統作為主控器，來控制整個機械手的運行，控制系統采用標準模塊化設計，傳感器作為反饋檢測元件對PLC 提供信號控制氣動裝置中的電磁閥，從而達到控制機械手的上升、下降、旋轉等動作。氣動機械手結構示意圖如圖1 所示。

圖1 氣動機械手結構示意圖

1.2 氣動機械手工作過程

工作啟動時，步進電機復位使機械手部分到達起始位置，升降氣缸處于下部，手爪氣缸伸出抓取物體，同時開始延時5 秒，保證手爪充分抓緊物體，延時結束后升降氣缸連同物體一起上升，手爪氣缸縮回；旋轉氣缸動作使氣爪逆時針旋轉90 度，步進電機轉動使機械手部分到達指定位置，升降氣缸上升，手爪氣缸伸出到位后松開物體并延時5 秒，確保物體準確放置在物料臺上；延時結束后手爪氣缸縮回，復位到起始位置。此為一個工作循環。

2 氣動控制回路設計

氣動控制回路是本工作單元的執行機構，該執行機構的控制邏輯控制功能是由PLC 實現的。氣動控制回路的工作原理見圖2：B1、B2 為安裝在推料氣缸的兩個極限工作位置的磁性傳感器。1Y1、2Y1、3Y1、4Y1、4Y2 為控制氣缸的電磁閥。

圖2 氣動控制回路原理圖

氣動機械手的回路設計主要由4個回路組成，控制機械手的升降、伸縮、抓緊與放松及旋轉4個動作，分別由3個直動式氣缸和1個旋轉氣缸組成。在氣動回路設計過程中，通過三位五通的電磁換向閥控制換向，由于4個氣缸先后動作，所以設計有中位。可以通過調節節流閥的節流口控制流量大小，從而控制氣缸運動的速度。氣動回路很容易實現自動控制，可以通過PLC 來控制換向閥實現自動換向。此外，氣動回路可以適應任何惡劣環境，比較容易維護，因此在自動控制中應用越來越廣泛。

3 PLC 控制系統的設計

在該系統中輸人點數為10 點，輸出點數為8點，考慮到控制要求和維修方便，采用了日本三菱公司生產的F X2N—48MT 型PLC 作為主控器。電磁鐵供電電壓為24VDC，直接與PLC 輸出電路連接，使系統簡單可靠。輸入/輸出外部接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 外部接線圖

經分析知，在一個工作循環過程中升降氣缸需要動四次，如果采用“經驗”編程方法，程序比較復雜而且易產生障礙信號，所以本文采用狀態編程法來設計PLC 程序，狀態編程的思想為：將一個復雜的控制過程分解為若干個工作狀態，弄清各狀態的工作細節，再根據總的控制順序要求，將這些狀態聯系起來，形成狀態轉移圖，進而編繪梯形圖程序。采用這種方法，一個“狀態”代表一個“工序”，程序簡單直觀，而且可以消除障礙信號。工作狀態圖如圖4 所示，部分程序圖如圖5 所示。

4 結論

由三菱PLC 控制的氣動機械手裝置能夠實現物料的自動搬運，可以實現連續、單周期和往復運動兩次三種執行方式，充分利用了PLC 的人機交互性較強和程序利于編制、硬件設計簡單等優點，實現生產線自動化的控制。

圖4 工作狀態圖

圖5 部分程序圖

[1]陳麗. PLC 控制系統編程與實現[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

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