PLC氣動機械手控制系統的設計與開發

雷利霞

(神木職業技術學院，陜西 神木 719300)

0 引言

氣動機械手作為我國工業領域中的常用設備，具有結構簡單、使用壽命長、操作簡單且動作迅速等優點。由于氣動機械手通過借助氣壓傳動的特性成功擴大了機械手的應用范疇。隨著更高標準的工業需求，氣動機械手也逐漸向智能化方向發展，作為氣動機械手的核心技術，PLC控制技術目前的發展還存在一定的問題，如果能夠將這些問題優化，那么氣動機械手的智能化將會取得更好的發展。

1 氣動機械手控制結構

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

隨著科學技術的發展及人們對于機械加工工藝的要求越來越嚴格，對于機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，現在還要求氣動機械手實現自動化工作，即通過PLC控制系統進行氣動機械手的自動化控制。

氣動機械手的控制結構由氣動裝置及PLC控制系統兩個部分組成，其中氣動裝置的控制元件有三種，分別為單向閥、單向節流閥及先導式電磁閥。氣動裝置的執行元件則為氣缸和氣動馬達，這兩個元件可以將裝置中的空氣壓力轉化為機械能。

機械手在運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]。其中氣動機械手最基本的功能就是手動操控，設置這個功能的目的是防止機械出現故障及斷電時可以手動操控機械回位。半自動化操作模塊即通過人為操控機械的開始及停止，這個過程也需要PLC控制系統的參與。全自動化操作模塊則實現了機械手的獨立運作，直接在系統中設置好相應的程序，機械手就會按照既定的路線運作。

2 基于PLC的氣動機械手控制系統設計

氣動機械手由于其操控簡單，并具有很強的抗干擾能力的特性，所以在工業領域的各個行業被廣泛應用，通過PLC進行編程來控制氣動機械手的運作，可以讓其實現自動化的運轉，不僅可以節約人力，還可以有效保護操作者的安全，因此，如何設計好該程序，讓機械手合理地運行十分重要，機械手的PLC控制系統的設計工作分為四個部分，分別是機械手的總體設計、PLC控制系統的硬件設計、PLC控制系統的程序設計及通訊設計。

2.1 總體設計

在氣動機械手的傳統控制系統中，存在內接線復雜、靈活性差及可靠性低等問題，而PLC的應用就完美解決了這些問題。PLC是通過數字運算來進行操作的電子裝置[3]。利用PLC對機械手進行控制，是利用特定的算法來進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數據，以此來達到控制機械手的目的。在進行總體設計時，有三個過程，即輸入、執行及輸出。輸入的是任務開始時的條件，然后再通過一定的程序控制機械手執行任務，最后機械手的工作達到了一定條件之后完成工作，不再運行。

2.2 PLC控制系統的硬件設計

2.2.1 PLC選型

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

2.2.2 機械手控制面板設計

機械手的控制面板設計也根據具體的需求進行，在進行具體操作前需要進行工作方式的選擇。圖1為機械手控制面板的設計例圖，其不同的功能均共用一個開關，選擇不同的功能時，扭動開關即可進行切換。

圖1 機械手控制面板圖例

2.2.3 PLC外部電氣接線設計

根據不同用途，以及工作時的控制系統需要具備的特性，再結合PLC系統的控制方式來進行PLC外部電氣接線圖的設計。

2.3 PLC控制系統程序設計

在PLC控制系統程序設計中，需要用到一些特定的算法，如遞推法、回溯法等。

在進行程序設計時，會根據機械手的工作目的進行不同的設計，即根據其功能來進行程序設計，通過功能將控制系統分為三類，分別為初始化程序、回原位程序及自動程序[5]。

2.3.1 初始化程序設計

為了使狀態繼電器等電子元件復位，能順利進行接下來的程序執行工作，所以要進行初始化程序設計，PLC本身可以為程序的氣動提供M8002初始脈沖。

2.3.2 回原位程序設計

在機械手工作的過程中，由于既定的程序是從原位開始，若中途出現一些意外情況，如停電、機械故障等，就需要進行機械手的復位，否則機械手就不能夠按照既定的程序繼續運行，會影響機械手的工作，所以需要設計讓機械手返回原位的程序。

機械手是否處于原位通過它的吸盤及氣缸狀態進行判斷，當機械手處于原位時，它的吸盤處于真空狀態，并且氣缸也處于原始狀態，當氣缸處于原始狀態時，升降氣缸會處于上升限位狀態，水平氣缸則會處于縮回限位狀態，機械手整體會呈現出左轉限位的狀態。

2.4 自動程序設計

自動程序設計決定了機械手的運行狀態，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

會動機械手進行自動化運作時，其不同的動作具有先后順序，以此來保證機械手工作順利進行，自動模式順序關乎著機械手運行的穩定性，所以在機械手自動化的整體程序設計中是特別重要的一環。具體的設計過程為：自動系統首先要確認機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行，機械手的自動化運行系統在受到開始運行的指令后，就按照既定的程序開始固定的運作，并且不斷周期性地重復，直到工作人員按下停止按鈕，之后機械手會停止正在進行的工作，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

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

2.5 通訊設計

通訊系統是PLC控制系統的核心，是氣動機械手控制系統對于外部環境感知的途徑。在氣動機械手工作時，其位置決定著控制系統的下一步指令，控制系統通過通訊系統反饋的信息進行氣動機械手的控制。如，當需要進行氣動機械手復位時，通訊系統會將當前氣動機械手的位置反饋給控制系統，控制系統再“發布”控制命令，控制氣動機械手完成復位?？刂葡到y還會根據通訊反饋的數據信息判斷氣動機械手的運行狀態，一旦發現故障問題，可以自動停止氣動機械手的運行。

數據通訊的方式有兩種，一種為串行，該方式傳輸速度較慢，優點是成本較低，并且設計簡單，所以這種方式在PLC控制系統中被普遍采用。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。企業需要嚴格控制生產成本，以增加企業的經營利潤，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，企業一般不會選擇這種高成本的方式。

3 控制系統測試

氣動機械手的程序編寫工作完成之后，需要進行測試，通過測試確保程序穩定。測試的一般流程為：首先確保氣動機械手處于初始狀態，如氣動機械手處于其它位置，那么需要進行手動復位調整。將氣動機械手調整至初始位置后，即可開始控制系統的測試，通過系統控制氣動機械手運行，完成一次完整的運作。測試人員要觀察氣動機械手運行的每一個細節，并做好記錄工作。氣動機械手控制系統的首次測試具有較高危險性，測試人員要注意保障自己的人身安全，如果發現氣動機械手的運行存在問題，那么要立即停止測試，將氣動機械手控制系統的問題更正后繼續進行測試，直到排除所有隱患，并確保氣動機械手可以在連續多次的運作中保持工作正常。

4 結語

氣動機械手可以為企業提供大量生產力，節約企業的人力成本，提升企業的生產效率，為企業創造更多收益，對工業生產而言，氣動機械手十分重要。當今社會，人們對于自動化程度高的設備有著越來越大的需求及依賴性，氣動機械手的全自動化也更有利于工業生產，可以為企業創造更大的價值?；赑LC系統，可以實現氣動機械手的自動化運作，根據不同的生產需求，需要設計不同的控制系統，設計工作人員要嚴格控制設計的各個環節，避免程序設計出現漏洞，造成氣動機械手的故障甚至造成企業損失。在設計完成之后一定要嚴格進行系統測試工作，避免程序漏洞帶來問題，此外，企業可以根據自身情況進行PLC控制系統的選擇，既要符合企業經營的需要，又盡可能地為企業節約成本。