基于PLC的氣動機械手控制系統設計

朱 靜

（江蘇省靖江中等專業學校，江蘇 靖江 214500）

氣動機械手依靠氣壓轉動完成機械手操作，壽命長，結構簡單、動作可靠迅速，在工業領域中較常見。隨著計算機技術的進步，氣動機械手具備使用智能化技術操作的條件。為了進一步提升氣動機械手的控制精準度與效果，本文針對氣動機械手傳統運作模式中存在的問題，設計了PLC（Programmable Logic Controller）氣動機械手程序，旨在更準確地控制氣動機械手。

1 PLC氣動機械手程序設計的背景及目的

以動力來源劃分，可將機械手分為手動、電動與氣動3 種類型[1]，目前國內工業系統常見的機械手為氣動機械手。本文以PLC 技術為核心，將PLC 技術嵌入機械手的控制體系，圍繞PLC 技術設計機械手結構，將步進電機、傳感器等裝置安裝在機械手內，實現機械手控制，使機械手能夠按照程序完成各種操作任務，同時兼顧靈活性與操作需求，增強機械手的操作性能和效率。

2 PLC氣動機械手控制系統的需求

2.1 系統特征

機械手主要使用氣動技術操控，通過壓縮周圍環境空氣的方式，實現機械手操控。相較于液壓機械手，氣動機械手靈活度較高，設備較輕便[2]，不論是運輸還是調試和使用，都會更加簡單。氣動裝置對周圍環境沒有很高的要求，使用中不會出現油污與噪聲，所以才會成為工業領域首選控制模式。隨著科技的進一步發展，機械手的研究方向必然是機電一體化，在高新技術的加持下延長機械壽命與抗外界干擾能力。

2.2 使用前景

如今，機械手已成為工業系統最常見的控制裝置，在各種現代技術與控制技術支持下，賦予了機械手智能化含義。當前許多研發企業都在研發新技術，優化控制機械手，旨在獲得更大的經濟效益及機械手控制效果。在這樣的背景下，市場上出現了很多新的機械手控制技術，推動工業系統快速發展。基于機械手使用環境和需求，在構思設計機械手操作程序中，必須確保機械手能夠用非常靈活的系統參與部件運作，足夠的靈敏度與較低的成本是機械手設計的重要前提。為平衡使用與研發需求，研發時需要設計師將創新工藝與技術用于機械手的設計與研發，推動工控技術發展和進步，創造更大的企業發展利潤。

2.3 功能需求

智能工控設備的機械手，必須結合使用環境與用途，具備完善的系統功能需求。應按照機械手使用環境和條件進行探討，確保機械手的功能可滿足各種使用條件和環境，精準控制機械手操作。本文所進行的設計方式，就是以氣動為控制形式，將手動與自動相結合，讓氣動機械手具備放下、抓取、旋轉、縮回與伸出等功能需求，完美地完成一系列操作。

3 PLC氣動機械手控制系統技術

3.1 結構與原理

本次所設計的PLC 操控程序結構非常簡單，僅有基座與手臂2 個部分，使用前只需要將2 個部分組裝即可運行。基座可以支撐并輔助手臂旋轉[3]，基座中的機械手能夠直線上下運動，并按照需要做出放松或夾緊操作，即靠不同的氣缸帶動不同的機械手細節部位，做出各種各樣的動作。氣缸驅動控制由PLC 程序控制，程序操控電磁閥閥芯，實現氣缸壓縮空氣流通方向的調控，實現機械手動作的操控。平時氣動機械手工作壓力為0.6 MPa，極限情況下為1 MPa。本次所用氣動機械手包含1 個旋轉運動和2 個直線運動，能輕松搬運物品。在機械手運作中，可靠球形關節以及靈活的部件調整高度、方向及松緊程度，在工作狀態下，機械手行程比較長，最高可以運動1 500 mm，依靠垂直導軌、微動開關、滑動導柱、垂直導柱與升降氣缸配合完成運動控制。轉動行程最大180°，靠微動開關、擺動比、止推軸承、擺動氣缸操控[4]。

3.2 控制方式

本次設計的運行程序有3種模式，不同模式應對不同的生產條件與環境。平時運行中，為便于操作和管理，可以應用程序設置中的自控模式，在自控模式中系統能夠自動化運作。與之對應的是手動控制，只有在出現需要對系統進行調試、維護以及系統出現問題時使用手動模式。手動控制中，工作人員需要使用控制按鈕操控機械手的各個部位，該模塊屬于最基礎、最重要的部分。自動控制中PLC 程序的設計十分重要，提前編寫程序，并將程序代碼輸入到程序內，按照程序執行周期差異，自動控制模式可以分為全自動控制與單周期控制2種不同的控制形式。其中，單周期控制在完成1個周期任務執行后不會繼續執行程序，需要再次點擊程序才能啟動[5]。全自動控制可以在完成1個周期任務后繼續執行下1 個周期任務，重復操作程序，一直到點擊結束任務按鈕后才能停止。

3.3 氣動系統

操作機械手時，需要使用氣動驅動程序完成機械手傳動命令。按照預設程序機械手能執行很多種任務，保障工控過程效率[6]。本文所設計的方案中，氣動機械手使用1 個負壓發生器、3 個氣缸及4 個雙電控電磁閥，實現氣缸、電磁閥、移動軌跡動作控制。為獲得更好的機械手控制速度，所有氣路均配備氣流閥，使用手動控制模式時，只需要點擊相應按鈕，就能使機械手中的部件相連，使設備通電。機械手中的氣缸與吸盤在程序指令中獨立運作，帶動設備轉動。吸起搬運物件靠的是機械手的負壓發生器和氣吸盤合力作用，在負壓發生器運轉中，能控制氣吸盤的運行狀態，進入負壓狀態后即可抓取吸住物體。

4 PLC氣動機械手控制系統構成

4.1 系統構成

以PLC 程序控制氣動機械手，需要用到按鈕開關、數據電纜、I/O 段子、PLC 控制器，使用電磁閥操控負壓發生器與驅動氣缸，使其按照預設程序達成相應目的，操作吸盤與手臂完成相應動作。機械手所有關節中都設有傳感器，傳感器可以實時監測機械手狀態，了解機械手狀況。本文所設計的氣動機械手系統包括1 個旋轉運動和2 個直線運動，使用了15 個輸出量與27 個輸入量，應用S7-200 的PLC。另外，結合控制需要，控制系統還包含手動操控和全自動操控2個模塊，手工操作屬于基本功能，可以再斷電回位以及出現故障時應對操作需求；全自動操控能夠讓氣動機械手按照預設程序操作，依靠PLC程序操作。

4.2 系統輸入與輸出

將電感傳感器安裝于氣動機械手左右極限點，之后將標準電磁開關安裝在機械手伸縮前后極和上下極限點。機械手控制系統輸出輸入點包括旋轉、回升、下降、抓取、氣動等諸多內容。

4.3 軟件

按照運行機械手對于程序和功能的需求，在軟件的設計中，需要分別設置開始運行、復位及停止。操作軟件中如果需要復位，則點擊復位按鈕，此時程序就會自動控制機械手的各個部件，回縮氣缸的同時，松開氣爪使其卸力。結束上述步驟以后，機械手回歸原位。點擊程序啟動后，伸縮氣缸前身到達極限點，之后機械手回到下極限點抓取工件，為保障機械手準確、穩定的控制，設計軟件中需要設好延時，在延時過后手臂回到上極限點，之后回到后極限點。循環中機械手的動作指令程序可以使用默認的13 個標準化動作，或結合需要進行程序動作數量調整，只需要滿足程序操作即可。不論多少個動作，只有做完一個周期后，才能讓機械手回歸原位。為了避免搬運物體中機械手因為懸臂過長無法保持平衡出現損壞情況，需要等待機械手回縮，在系統完成回縮動作后機械手旋轉回歸原位。

4.4 硬件

本設計的結構定為氣動手指、伸縮手臂、升降系統與基座平臺4 個部分。基座平臺構成為支撐平臺與擺動氣缸，負責左右轉動和支撐機械手；提升機構與薄型氣缸完成提升，讓機械手在基座中上下運動；伸縮手臂靠手臂伸縮氣缸完成前后運動；氣動手指及各種夾緊機構能讓氣動手指放松或夾緊。控制系統使用的S7-200PLC，氣缸活塞是否到位使用磁性開關進行檢測，并用光電開關對信號情況進行檢查。氣動系統包括電磁換向閥，由雙電控與單電控兩種類型組成。還用了標準氣缸、氣動手指、旋轉氣缸、薄型氣缸等氣動元件。

4.5 傳感器

本設計中的氣動元件信號傳感器為磁性開關，所有氣缸缸筒的材料都是隔磁性強、導磁性弱的不銹鋼和硬鋁。因為硬件中的活塞為非磁性體，所以在其上方加裝永磁磁環。開關布置于氣缸外側，只需監測磁環磁場情況，就能掌握活塞的具體位置。閉合或斷開信號，即可監測氣缸位置。工作人員根據觸點LED 是否亮起掌握活塞位置與觸點位置，調試十分方便。

4.6 光電開關

本程序的光電開關包括光接收器與光發射器2 個部分。光接收器與發射器被設置在同一側，在光線照射到檢測對象以后反射光纖被接收器接收。控制系統使用OMRON 公司的漫反射光電開關，信號為CX-441，隨時將信息發給PLC 控制模塊，便于控制模塊根據程序狀態判斷檢測工作是否需要調整。

5 控制方案

5.1 整體設計

因PLC 是數字運算電子裝置，氣動機械手操控中PLC的使用可滿足程序的高靈活度、高可靠性與簡化復雜接線的需求。使用PLC 設計控制程序時，需按照特定算法輸入輸出物理量，獲得相應信息與數據，取得智能化控制管理氣動機械手目標。氣動機械手程序設計中，內容包含輸出處理、執行程序、輸入處理及工作過程。以上內容直接關系到程序的運作效果與質量。控制系統由許多元器件構成，包括報警器、指示燈、壓力變送器、光電開關、電磁閥等。采用主站+從站控制方式，可分步控制所有控制系統的功能，完成通信數據傳輸，防止功能故障引起的系統癱瘓問題。

5.2 控制程序設計

PLC 程序在設計中使用多種算法，常見的有地推法、回溯法、貪婪法、分治法。使用PLC 模塊控制氣動機械手時，結合使用需求分析操作方式，控制程序包括初始化程序、回原位程序和自動程序。初始程序中，需要先復位狀態繼電器與定時器，為執行后續程序內容奠定基礎。本次的控制程序使用模塊自帶的M8002 初始氣動脈沖。回原位程序中，機械手運行時，特別是沖壓生產期間，氣動設備需要在相同初始位置，從而讓機械手完全按照固定程序操作。在設備出現故障時，需要設備重新回到初始位置工作。設備初始狀態為真空機械手吸盤，原始狀態氣缸。自動程序由自動模式順序功能圖與自動程序梯形圖兩部分組成，前者在既定的先后順序中完成控制，能讓機械手保持穩定的運轉。在確定機械手初始運行位置后，控制程序能進入自動運行狀態，運行系統接收到運行操作指令后，按照既定程序做出周期性動作，在不斷重復中完成任務，直到工作人員點擊結束按鈕，才會停止工作回到初始狀態。后者在運行中，同樣為既定程序順序操作。啟動機械手后，如果滿足原位條件，就能自動工作；如果不滿足條件則程序不會自動運行，反而會停止行動。自動程序梯形圖同沖床聯動，在機械手將貨物轉移到模具后，PLC 發出指令控制沖床，沖床開始工作，完成工作且貨物堆積到相應數量時，系統發出警報，通知轉移貨物，此時機械手進入自動程序梯形圖步驟。

5.3 PLC通訊

在PLC 控制中，通信系統是非常重要的內容。因為計算機與PLC 是數字設備，所以達成通訊控制的關鍵在于設計出效率高的數字信息傳遞程序。數據通訊包括并行與串行兩種通訊模式，在同一時間內，并行數據可以實現發送與接收目的，有著較快的通訊速度，但成本比較高。雖然串行通信速度比較慢，但因為有著簡單的線路設計，所以成為PLC 控制系統中最常見的情況。

5.4 系統測試

為保障PLC 系統能精準控制機械手，需要結合系統操作需求設置相匹配的配件，設計安裝各部件操控模塊的程序，并試運行。在調試好后，再連接電源，啟動PLC模塊和控制程序。

正式測試控制程序時，機械手完全按照預設的PLC控制程序運作，自動化搬運機械手旁邊放置的各種貨物。在工作人員點擊停止后，程序停止指令的傳輸，啟動按鈕從綠色變成紅色，機械手不再繼續執行程序。

機械手對氣缸驅動非常依賴，使用PLC 驅動可賦予氣動機械手智能化操作能力。氣缸運動精度關系到機械手的運動精度，因為難以預測氣缸運動的軌跡，所以本文使用了實測軌跡的方式對氣缸運動精度進行驗證。測量中得出，回轉氣缸誤差值0.54 mm，氣降氣缸誤差值0.58 mm，伸縮氣缸誤差值0.68 mm，表明PLC 氣動機械手控制系統定位精度非常高。

6 結語

本文設計的PLC 控制系統，在氣動機械手操作中取得了很好的效果，平衡了工控速度、精準度，在柔和接觸中，保障生產控制效果，可以在熱塑件、精密儀器控制中使用。氣動控制具有維護簡單、成本低、介質來源廣泛等優點，使用PLC 控制器擴展比較簡單，不需要考慮繼電器接線固定，使用軟觸點提高操作可靠性。使用程序編程的方式，讓氣動機械手能更靈活地用于各種生產環境，保障系統操作精度與效果。