淺談當前氣動安裝機械手的PLC干預思路

摘 要：本文介紹了氣動機械手的發展歷程、應用現狀以及PLC的工作原理，在此基礎上，對氣動安裝機械手的結構、工作原理、系統設計以及發展趨勢進行了詳細分析。

關鍵詞：氣動安裝機械手；PLC干預；控制設計

1 氣動機械手的發展歷程及應用現狀

氣動技術的動力來源主要就是空氣壓縮機，通過對空氣進行壓縮，來傳遞能量或者傳遞信號，是自動控制的一種主要手段。

最早在1776年，由約翰威爾遜成功的研制了第一臺空氣壓縮機，這臺空氣壓縮機只能產生一個氣壓的壓力。1880年，人們在火車的剎車上裝上了氣缸，成功的做成氣動剎車。在20世界30年代，氣動技術被廣泛應用于自動門和機械的輔助動作上。到20世界50年代初期，在液壓的基礎上，研究出了氣壓元件，不過這時氣壓元件體積龐大。60年代，氣動技術已經自成體系，形成工業控制系統。70年代，氣動技術結合電子技術，被廣泛應用于自動化控制領域。80年代，開始演變成氣動微型化和集成化的時代。90年代一直到現代，相關工作人員已經將氣動技術逐漸完善，各種高精度的氣動機械手誕生，智能化的氣動技術概念誕生。在技術的不斷完善下，不斷解決了生產線中遇到的控制問題。

氣壓系統可以適用于易燃易爆、高溫震動強磁輻射等多種惡劣環境，所以氣動系與多種器械結合使用。氣動機械手是機械手中最重要的一種，它節能無污染、動作靈活、結構簡單，平穩可靠、重量輕，這些優點使氣動機械手被半導體、化工、汽車制造、家電制造、軍事工業以及精密儀器等領域廣泛使用。

2 PLC解析

PLC就是可編程邏輯控制器，其采用可編輯的儲存器，用于內部儲存程序，執行邏輯運算、定時、順序控制、算術操作和計數等面向用戶的最終指令，通過數字控制各種機械進行生產的過程。

PLC實質是專用于工業控制的計算機，在硬件上與微型計算機差別不大，基本由電源、CPU、儲存器、輸出輸入接口電路、功能模塊和通信模塊六部分構成。電源是系統中最重要的部分，PLC對電源的要求極高，如果沒有可靠的電源，就無法進行正常的工作。CPU是PLC的控制中樞系統，它按照PLC賦予的功能接收存貯用戶的數據，并且診斷語法的錯誤。在PLC運行時，首先就是CPU掃描輸入的數據，然后存入I/O映象區。接著從用戶的儲存器中讀取用戶的程序，在經過命令解釋后把運算結果送入數據寄存器，在所有的用戶程序處理完以后，最后將儲存器的數據送入輸出裝置，在停止前一直反復運行。一般大型的PLC采用雙CPU系統，這樣可以保證PLC系統的正常運行。存儲器有存儲系統軟件和應用軟件。功能模塊有計數和定位等功能。PLC的工作原理，是在PLC運行后，有三個階段的工作過程，就是輸入采樣，用戶程序執行以及輸入刷新。每一個掃描周期都必須完成這三個階段。在運行的整個過程中，PLC的CPU重復執行這三個階段的工作。

2.1 輸入采樣階段

輸入采樣階段中，PLC以掃描的方式依次讀取所有的輸入數據和狀態，并且存入I/O映象區的對應單元內。在輸入采樣過程結束以后，進入用戶執行程序和輸出刷新階段。這兩個階段，輸入數據和狀態即使發生了變化，I/O映象區中的對應單元數據和狀態也不會發生變化，所以輸入脈沖信號，那么脈沖信號寬度要大于一個掃描周期，這樣才能保證輸入讀入的均勻。

2.2 用戶程序執行階段

在這一階段中，PLC一直是按照從上到下的順序依次進行對用戶程序的掃描，在每次掃描時，又一直按照掃描左面的觸電構成的控制路線，然后掃描右側，始終按照從左到右，從上到下的順序對觸電構成的線路圖進行邏輯的運算處理，在根據邏輯運算的實際結果，進行刷新輸出線圈在I/O映象區中的應位狀態，確定是否需要執行特殊功能的指令。

3 氣動安裝機械手的結構、工作原理以及系統的設計

氣動安裝機械手的結構主要有安裝平臺、翻轉設備、翻轉氣缸、機械手臂、真空吸盤、圓桶料倉、推料裝置和平移氣缸。系統主要有上料和安裝兩種模塊組成。上料模塊包含推料裝置、兩個圓桶料倉料倉平移氣缸與支架。上料模塊就是把料倉中的工件放置在吸料臺上，讓吸盤機械手進行取料操作。每個氣缸都安有磁性的開關裝置，用來判斷氣缸運動的期限位置所在。需要依靠延時才能實現推料氣缸與平移氣缸的配合。真空發生器、機械手、翻轉裝置和吸盤組成了安裝模塊。真空吸盤的主要作用就是抓取工件。真空發生器產生了吸盤內的壓力。安裝模塊的主要工作程序就是先吸料，然后機械手向前翻轉，將料放下安裝，最后機械手在向后翻轉就完成了。

3.1 氣動安裝機械手氣動控制系統的設計

氣動安裝機械手的氣動系統主要是電源、電磁閥、真空發生器、各種氣缸、氣動三聯件以及節流閥構成。氣源的工作壓力在6bar到8bar之間。推料和吸料的電磁閥都是運用二位五通單電的控電磁閥，翻轉和平移是用雙電的控電磁閥。

3.2 電氣控制系統的設計

3.2.1 PLC的選型和I/O的接口分配

氣動安裝機械手核心的控制器就是PLC。對控制的要求要進行科學的分析，選用合理的PLC輸入信號和輸出信號。PLC的輸入信號包括位置檢測信號、起停控制信號、聯絡信號等。輸出信號包含：前站聯絡信號和電磁閥控制信號。

3.2.2 PLC的控制程序

PLC的控制程序只要有控制的要求和工藝的流程。氣動安裝機械手有三種控制的功能：單站控制、聯絡控制、停止控制。

單站控制是在工作初始時，在吸盤下有工件，翻轉氣缸和推料氣缸都在收回的狀態中，平移氣缸的位置可以在左右的任何方位，起動單站控制程序，安裝模塊會先用吸盤吸料，然后翻轉氣缸向前方翻轉，這樣工件就會被搬運到安裝的工作臺，吸盤將料放在工作臺上，經過延時，機械手會向后進行翻轉。在工件被吸走以后，上料模塊就會完成推料和更換料倉的程序。在推料工作完成以后，吸盤機械手會向后進行翻轉，回到原來的位置。如果不停止操作，給出停止信號，那么氣動安裝機械手就不會停止，會按照剛才的程序無限的循環操作下去。這個時候，要注意的是把安裝工作臺上的所有工件全部拿走，不然會損害機械。

4 氣動安裝機械手的發展趨勢

4.1 重復高精度化

精度是指機械手所能達到的精確程度，這需要精良的驅動器分辨率和反饋裝置。重復高精度就是指在機械手經歷重復的工作多次，還能夠達到一樣的精細程度。如果氣動機械手不能夠有完美的高精度，那么在工作中就會出現誤差，會為工作帶來嚴重的后果。所以氣動機械手的發展法相是朝著高精度進行，可以結合現代化的控制技術與微電子技術，盡量的減少誤差，通過對程序的編輯，來校正誤差數據，然后經過機械手的不斷重復測試，找到合理的誤差范圍。因此，只要氣動機械手的重復精度持續提升，那么它的應用范圍也就會逐漸擴大，能夠更好地服務不同的行業。

4.2 實現自動化

自動化的控制系統還需要以可編程序控制器-傳感器-氣動元件為基礎，發展結合電子技術的自動控制氣動元件，將氣動技術的開關控制提升到更高精度的反饋控制，減少配線以及元件，這樣不但可以使拆裝操作更簡單，還能夠極大地提升系統的可靠性。

5 結束語

氣動安裝機械手的控制系統十分復雜，所以在控制中難以避免出現誤差。而使用PLC控制氣動安裝機械手，不但處理了安裝和上料模塊與推移和平移氣缸之間的互相繁瑣關系，同時增加了系統和其他機械但愿的共同協作，提高了氣動安裝機械手工作各個程序的效率，極大的促進了氣動安裝機械手的優點和性能。

參考文獻

[1]關明，周希倫，馬立靜，等.基于PLC的機械手控制系統設計[J].制造業自動化，2012（14）.

[2]羅庚興，歐陽錫暢.基于PLC的氣動安裝搬運機械手設計[J].機電工程技術，2010（7）.

作者簡介：孫東升（1967-），男，江蘇鹽城人，職稱：副教授，研究方向：機械應用，機械控制、加工、工藝等。