基于PLC技術的氣動搬運機械手速度控制研究

中圖分類號：TH138 文獻標志碼：A

0 引言

隨著工業自動化技術的快速發展，機械手在物料搬運、裝配、分揀等領域的應用日益廣泛。氣動機械手因其結構簡單、成本低廉、維護方便、輸出力矩大等優勢，在中小型自動化生產線中占據重要地位[1]。然而，由于氣動系統固有的非線性特性（如氣體可壓縮性、摩擦阻力、閥口流量波動等），機械手的運動速度控制存在響應滯后、調速精度不足等問題，直接影響其定位精度和作業效率。因此，研究基于PLC（可編程邏輯控制器）的高精度氣動機械手速度控制方法，對提升自動化生產線的穩定性和靈活性具有重要意義。目前，國內外學者在氣動機械手控制方面已開展諸多研究，主要集中在比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制調節、模糊控制、自適應算法等方向。然而，傳統PID控制難以適應氣動系統的強非線性，而智能算法在工業現場的實時性和可靠性仍有待提升[2]。PLC憑借其高可靠性、強抗干擾能力及靈活的編程方式，成為工業控制領域的核心設備。因此，本研究以四自由度氣動搬運機械手為對象，結合PLC的PID算法優化和多段速控制策略，探索氣動機械手的高精度速度控制方法，通過實驗驗證其動態響應性能和定位精度，為工業應用提供理論依據和技術參考。

1系統總體架構設計

基于PLC技術的氣動搬運機械手速度控制系統采用模塊化設計，主要由控制層、執行層和反饋層3個部分構成。其中，控制層PLC作為核心控制器，通過編程實現對機械手運動軌跡和速度的精確調控；執行層由氣缸、電磁閥等氣動元件組成，負責將控制信號轉化為機械動作；反饋層則通過編碼器或霍爾傳感器實時監測機械手運動狀態，形成閉環控制回路。系統運行時，首先進行初始化操作，將機械手復位至預設原點位置。在速度控制方面，PLC根據預設程序及傳感器反饋信號，通過調節脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）輸出或比例閥開度來控制氣路流量，從而實現機械手升降、平移等動作的平穩變速。整個工作流程按照“伸出-夾取-縮回-轉運-放置”的順序執行，每個環節的運動速度均可獨立設定，

圖1系統總體架構設計

以滿足不同工況需求。

2速度控制策略

2.1氣動系統特性分析

氣動搬運機械手的運動特性主要受氣動系統固有特性的影響，這些特性直接影響速度控制的精度和穩定性。首先，氣動系統具有顯著的非線性特征，表現為氣壓與執行元件速度之間的復雜關系。由于氣體的可壓縮性，系統壓力傳遞存在滯后效應，導致速度響應呈現明顯的非線性特性[3]。其次，氣動系統的動態特性受多種因素制約。氣缸內部的摩擦力會隨運動速度變化而動態改變，形成速度依賴的阻尼效應。此外，管路壓力損失和閥口流量特性也會影響系統的動態響應。在高速運動工況下，這些因素的綜合作用容易導致機械手末端產生明顯抖動，影響定位精度。最后，緩沖裝置在改善氣動系統運動特性方面具有重要作用。合理設計的緩沖機構能有效吸收運動動能，將高速運動時的定位振動幅度降低 60% 以上。該研究通過PLC程序與緩沖裝置的協同控制，可以實現運動過程的平穩過渡。

2.2 PLC控制算法實現

2.2.1梯形圖編程的PID速度調節實現

在氣動搬運機械手的控制系統中，PID算法通過PLC梯形圖編程實現閉環速度控制。系統首先通過安裝在氣缸上的磁性開關或高精度編碼器采集機械手的實時位置信息，經過差分計算得到實際運行速度作為反饋量。由于氣動系統固有的非線性特性，在PID算法實現時須特別考慮死區補償和輸出限幅處理[4]。具體實現時，工程師須在PLC中構建完整的PID運算邏輯模塊。該模塊包含3個核心環節：比例環節快速響應速度偏差，積分環節消除穩態誤差，微分環節抑制速度波動。該研究通過設置合理的采樣周期和控制參數，系統能夠實現平滑的速度調節。在實際調試過程中，通常采用工程整定法：首先，設置純比例控制使系統產生等幅振蕩，記錄臨界比例度和振蕩周期；其次，根據Ziegler-Nichols公式計算初始PID參數；最后，通過試運行進行參數微調。針對氣動系統特有的壓縮空氣彈性問題，控制系統還須加入特殊處理算法。在微分環節引入數字濾波可以有效抑制末端抖動，同時，設置合理的加速度限制，能夠避免氣動元件因速度突變產生機械沖擊。這些措施共同保證了機械手運動的平穩性和定位精度。

2.2.2多段速控制與位置協同方案設計

多段速控制是實現機械手高效精準搬運的核心策略。在實際應用中，通常將機械手的運動軌跡劃分為加速段、勻速段和減速段3個階段。每個階段設置不同的目標速度參數。這種速度曲線規劃方式既能滿足生產效率要求，又能確保運動平穩性。PLC通過順序功能圖（SequentialFunctionChart，SFC）編程實現各速度段之間的平滑切換[5]。系統建立完整的位置-速度對應關系表，當機械手運動到特定位置節點時自動觸發速度切換指令。例如：在接近目標位置時切換為低速模式，可以顯著提高最終定位精度。這種基于位置觸發的速度控制策略通過PLC的比較指令和條件跳轉指令實現，具有響應快速、執行可靠的特點。在多軸協同控制方面，系統采用主從控制策略確保各運動軸的速度匹配。指定一個關鍵軸作為主軸，其余軸的速度按預設比例跟隨主軸變化，從而保持整體運動軌跡的協調性。為了提高控制精度，系統還引入了位置偏差動態補償機制。當實際位置與規劃軌跡的偏差超過設定閾值時，自動調整后續運動段的速度參數。該研究通過PLC的浮點運算功能實時計算補償量并更新速度設定值。

3 系統實現與測試

3.1 硬件組態

基于PLC技術的氣動搬運機械手速度控制系統由多個關鍵硬件模塊協同工作，共同實現機械手的精準控制與高效運行。整個系統的硬件架構以PLC為核心，結合氣動執行機構、傳感器檢測網絡、人機交互界面以及穩定的供電與氣源處理單元，形成一個完整的自動化控制閉環[6]

3.1.1 PLC控制器

PLC控制器作為系統的“大腦”，承擔著信號處理、邏輯運算和指令輸出的核心任務。本系統選用西門子S7-1200系列PLC。該型號不僅具備強大的多任務處理能力，能夠實時響應各類傳感器信號，還提供了豐富的數字量和模擬量I/0接口，完美適配氣動閥組和各類傳感器的信號接入需求。PLC通過以太網通信協議，可與上位機或HMI實現高效數據交互，而梯形圖、功能塊圖等多種編程方式則為復雜控制邏輯的實現提供了靈活的技術支持。

3.1.2 氣動執行機構

氣動執行機構構成了機械手的“肌肉”系統，主要由氣缸、氣動閥和調速閥3個部分組成。雙作用氣缸作為主要執行元件，通過壓縮空氣驅動活塞桿實現直線運動；電磁換向閥在PLC的控制下精準切換氣流方向，確保機械手動作的準確性；而精心配置的調速閥則通過調節氣流速度，實現對機械手運動速度的精確控制，使搬運過程既高效又平穩。

3.1.3傳感器檢測網絡

遍布系統的各類傳感器猶如機械手的“感官神經”，實時監測著機械手的運行狀態。磁性開關和光電傳感器精確檢測氣缸的極限位置，為PLC提供位置反饋；速度傳感器通過測量氣缸運動速度，形成速度閉環控制的關鍵反饋信號；壓力傳感器則持續監控氣路壓力，確保氣壓穩定在最佳工作范圍。這些傳感器共同構建了一個全面的狀態監測網絡，為系統的智能控制提供了可靠的數據支持。

3.1.4供電與氣源處理

24V直流電源為PLC和傳感器提供純凈的工作電壓，220V交流電源則驅動電磁閥等功率元件。在氣源處理方面，由空氣過濾器、減壓閥和油霧器組成的氣源三聯件，有效去除壓縮空氣中的雜質和水分，調節并穩定工作氣壓，同時為氣動元件提供必要的潤滑，顯著延長了設備的使用壽命。

3.2 軟件設計

3.2.1 SFC編程

為實現系統多工序協調控制，須從以下幾點入手，做好SFC編程設計。首先，采用SFC的步進結構將搬運過程分解為如圖2所示的典型工步圖，每個工步對應一個狀態繼電器。例如：在西門子S7-1200PLC編程中，通過磁性氣缸上的接近開關觸發狀態轉換條件，下降步到夾取步的轉換條件為“X0（下限位）ANDT1（O.5s延時）”。同時，根據工件重量選擇輕載或重載不同速度曲線，通過比較指令（CMP）實現條件跳轉。其次，在SFC中嵌入速度控制子程序：通過定時器（T）控制各步持續時間（如T2調節上升速度），結合PID算法功能塊動態調整比例流量閥的PWM占空比。采用并行分支結構處理多軸協調：平移氣缸與升降氣缸的同步動作通過平移步和升降步的并行執行實現，利用伺服驅動器的位置反饋進行閉環修正。同時，由雙聯氣缸采用進氣節流閥開度調節，通過模擬量輸出模塊控制電-氣比例閥，實現無極調速。最后，根據轉換條件集成多重保護：急停信號（X10）直接跳轉至初始步；設置專用報警步，當氣壓不足或動作超時時激活。如夾取步須檢測“S21ANDX2（夾緊確認信號）\"才允許轉入下一步，避免誤動作，采用跳轉指令實現運行模式切換。

圖2典型工步圖

3.2.2夾緊/放松計時功能實現

夾緊/放松計時功能主要通過PLC程序精確控制電磁閥的通斷時間，從而調節氣缸動作的持續時間，確保機械手在不同工況下均能可靠完成夾持任務。為實現物料穩定抓取與釋放，須從以下幾點入手，重點設計和實現夾緊/放松計時功能。首先，系統采用西門子S7-1200PLC作為主控制器，通過輸出端子（Y0）連接雙電控電磁閥，控制雙作用氣缸的伸縮動作。磁性開關（X0/X1）實時反饋氣缸活塞位置狀態，形成閉環檢測。當夾緊指令觸發時，Y0置位驅動電磁閥A側得電，氣缸活塞桿伸出；放松指令則使YO復位，電磁閥B側得電，活塞桿縮回。其次，使用TO（夾緊計時）和T1（放松計時）2個 100ms 時基定時器，通過MOV指令預設時間常數（K值）。例如：MOVK50D0//夾緊時間設定為5s（ 50×100ms ），MOVK30D1//放松時間設定為 3s 。

同時，在夾緊階段：當啟動信號X10接通，SETYO激活電磁閥A，同時，TO開始計時。計時到達后，RSTY0復位并觸發放松流程。在放松階段：T1計時器同步啟動，確保物料完全脫離夾爪后進入待機狀態。此外，加人X0/X1狀態校驗：若夾緊過程中2s內未檢測到X1限位信號，則M0報警觸點閉合，激活故障指示燈（Y10）并停止當前流程。

3.3 實驗驗證

3.3.1不同負載下的響應速度分析

本次實驗采用基于PLC技術的氣動搬運機械手速度控制系統，通過伺服電機實現機械手在水平、豎直方向的快速精確移動。為達到 1.5m/s 設定速度，分別測試了 0kg，5kg，10kg3 種負載條件下的速度響應特性，測試結果如表1所示。從表1中的數據可以看出，在空載（ 0kg） 工況下，系統在0.2s內達到1.5m/s 設定速度，速度波動范圍 ±0.02m/s ;在 5kg 負載下，響應時間延長至 0.25s ，速度波動范圍擴大至 ±0.05m/s ，但仍保持 708r/min （約 1.48m/s 的穩定轉速；在 10kg 負載下，響應時間進一步延長至0.3s，速度波動范圍 ±0.06m/s ，仍能保持 1.5m/s 的穩定轉速。由此可見，本文所提出的控制方法能有效抑制負載變化引起的速度波動。

表1不同負載下的響應速度測試結果

3.3.2定位精度測試

本實驗采用西門子S7-1200系列PLC作為核心控制器，外擴EM253定位模塊對伺服電機進行精確控制。定位精度測試結果如表2所示，從表2中的數據可以看出，所有速度工況下定位精度均滿足 ±0.5mm 要求。其中，低速段（ （0.2～0.5m/s ）表現最佳。

表2定位精度測試結果

3.3.3重復定位精度測試

本實驗在測試重復定位精度期間，共進行50次重復運動循環測試，測試結果如表3所示。從表3中的數據可以看出，所有軸向重復定位誤差均優于0.03mm 設計要求，這得益于PLC程序中集成的延時模塊實現的精確動作時序控制。機械手通過帶自鎖功能的氣缸保證了在斷氣狀態下狀態的保持，進一步提高了重復定位穩定性。

表3不同方向重復定位精度測試結果

4結語

本研究基于PLC技術，設計并實現氣動搬運機械手的運動控制系統。通過合理的機械結構設計和傳感器布局，系統能夠精準檢測位置并實現穩定控制。核心控制器采用西門子 S7-1200PLC ，結合梯形圖編程和PID調節算法，有效解決了氣壓-速度非線性問題，提升了運動平穩性。此外，系統集成觸摸屏人機界面和電磁閥驅動電路，采用計時功能確保夾持動作的可靠性。在控制策略方面，本研究提出“高速接近 + 低速精調”的協同控制方法，結合緩沖裝置降低末端沖擊，使機械手在 0.2～1.5m/s 速度范圍內定位精度達到 ±0.5mm ，重復定位誤差 ?0.03mm 。

參考文獻

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[3]沈侃，曹嘉佳，徐宇.龍門式氣動機械手的PLC控制系統研究[J].南方農機，2023（8）：131-133，144.

[4]靳宏，左右祥.基于PLC的氣動機械手控制系統設計[J].科技創新與應用，2023（6）：49-52.

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[6]趙輝，宋洪揚，楊超.基于MCD的氣動搬運機械手生產線虛擬調試[J].智能制造，2021（6）：68-73.

（編輯 王永超）

Abstract：This study proposes a precise speed control method basedonPLC（Programmable Logic Controller）to improve themotion stabilityandoperational eficiencyof pneumatichandling robotsinindustrial automation applications.The study uses Siemens S7-1200 PLC asthe core controller，combined with PID algorithm，to optimize the dynamic response characteristics of the pneumatic system.By applying a pneumatic handling robot speed control system basedon PLC technology，the speed regulation performanceunder different load conditions is tested，and realtime parameter adjustment isachieved using atouch screen HMI（human-machine interface）.The experimental results showthat the designed PLC control strategy can effectively reduce the impact of air pressre fluctuations on motion speed， achieving a positioning accuracy of ±0.5mm and a repeat positioning error of ?0.03 mm for the robotic arm within the speed range of 0.2～1.5m/s .Therefore，this method significantly improves the motion stabilityof pneumatic robotic arms while ensuring handling eficiency，providing a feasible solution for high-precision operations in industrial automation production lines.

Key words：PLC technology；pneumatic transportation； mechanical arm speed; controlled design