氣動機械手臂的PLC控制

袁靜

引言：介紹了一款簡易型精確定位機械手，針對氣動驅動機械手，設計了基于三菱的FX2N可編程控制器的控制系統的硬件和軟件；使用MSC Comm控件，實現了整套控制系統的控制界面，實現了氣動機械手控制。

一、引言

氣動機械手臂是氣動技術在機械加工領域運用最多的一種技術，其具有質量好，重量輕，操作簡單，性能穩定以及環保節能燈特點。氣動機械手臂主要采用模塊化的設計模式，尤其是使用當前傳輸技術的氣動機械手臂，使用可多次編程的閥島技術進行控制，同時，其氣動伺服系統，也全部采用模塊化的設計進行組裝，便于進行精確定位 [1]。

本文的核心內容是研發構建一種定位精確、適用性廣的氣動機械手臂，對研發過程中具體涉及的機械原理和系統配置進行了研究，設計了基于三菱的FX2N可編程控制器的控制系統的硬件和軟件。

二、氣動機械手臂總體結構設計方案

氣動機械手臂有多種類型，根據具體運動模式，可以區分為圓柱坐標、球式坐標、直角坐標和關節式四種機械類型[2]。機械手臂的運行組件由主體和輔助部件組成。用來改變抓取對象的空間位置的組件稱為主運動部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而單純改變抓取對象方位和狀態、不涉及空間位置改變的組件就是輔助運動部件，主要有手腕和手指部位。

氣動機械手臂的工作為兩個位置點之間的材料移動工作，因此機械手臂要具有基本的升降、回轉和伸縮能力，因此，這里采取圓柱坐標式構造模式，此處機械手臂保留三個自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降兩參數）、回轉自由度（用θ表示，有正轉反轉兩個參數）和伸縮自由度（用r表示，分為伸展和收回兩個動作）。該機械手臂的運動模式如圖1所示。

圖1 機 械 手 臂 運 動 簡 圖

三、控制系統的功能及結構分析

控制系統的設計首要問題是如何選擇一臺理想的PLC（主要是規格和型號），其次是PLC的I/O（輸入/輸出）點和外圍設備的配置。然后是程序流程設計與程序編制[3]。

1、直線控制單元的控制

如圖2所示為氣缸的位置控制器及其構成圖。圖中氣管線路用虛線代表，電線或電纜用實線表示。控制器的信號來自PLC，PLC是這部分的核心，通過磁傳感器識別氣缸到達的位置，達到實時精準地控制氣缸。

2、 PLC控制硬件

要實現系統的主要功能，就必須對此氣動機械手的每一個動作都要求要有一個手控的按鍵。為保證機械手執行工作的準確性，就要求在程序設計時要考慮到相互牽連的功能。在現實情況中，控制機械手的啟動按鍵和停止按鍵必須要在一起的，這主要在于設置控制機械手的啟停時考慮到節省PLC的輸入輸出點數這個因素。系統在運轉時，要保證機械手的工作在一個正常的循環周期內。在設計時考慮到在機械手在進行每一個周期的工作時，機械手的設定值按系統主體需要設定，比如正轉、反轉、上升、下降、伸出、縮回、加緊、放松。每次開始前，需重新設定，使機械手回到原來的位置，進行工作，也就是所謂的“回原點”。對于回原點，包括自動式和手動式。根據系統需要選擇PLC的型號，并對PLC端的輸入輸出點進行I/O分配，相關的分配表如表1所示。

圖2 直線控制單元構成圖

3、PLC控制軟件

在連續模式下，機械手的運行是按照操控主體的初始設定進行的，要保證整個連續模式下的系統的高效運行[4]，就要求在操作之前檢驗整個系統的操作是否處在真正的設定值上。整個操作可利用各個具體的操作按鍵操控氣缸的運行，在到達相對應的初始位置時再對氣缸的運動進行減壓、停止，這就保證了整個系統合理有效的會到初始值的原點。對于正處于連續模式的機械手來說，當系統被手動操控回到原始位置時，整個系統會自覺的進入到下一個正常的循環中。圖3所示為循環動作梯形圖。

圖3 循環動作程序段

四、結論

對氣動機械手的構造進行模塊化整理，對氣動機械手的整體進行相關的分析和設計，對其氣動位置控制系統進行了深入研究，對氣動機械手的控制系統的硬件、軟件進行了設計。經過調試運行，達到了預定效果。實踐證明，所開發的以PLC為核心的氣動機械手控制系統，運行可靠性高，操作簡單方便，環境適應性強。

參考文獻

[1]李超.氣動通用上下料機械手的研究與開發[D]. 西安：陜西科技大學. 2003.

[2]陸鑫盛.氣動新技術講座——模塊式氣動機械手[J].液壓氣動與密封.2001（6）： 31～43.

[3]勞俊，伍世虔，楊叔子.模塊化與現代制造技術[J]..制造技術與機床.2004（9）： 40～42 .

[4]魏志強，孫旭光，王益群，劉繼剛. 可編程控制器在氣動機械手控制中的應用[J].液壓與氣動，2002（6）：18-20 .

（作者單位：1、太原理工大學機械學院；2、大同煤炭職業技術學院 ）