摘 要：本文介紹了氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀以及PLC的工作原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣動(dòng)安裝機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、工作原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及發(fā)展趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)安裝機(jī)械手；PLC干預(yù)；控制設(shè)計(jì)

1 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀

氣動(dòng)技術(shù)的動(dòng)力來源主要就是空氣壓縮機(jī)，通過對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，來傳遞能量或者傳遞信號(hào)，是自動(dòng)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(tái)空氣壓縮機(jī)，這臺(tái)空氣壓縮機(jī)只能產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)剎車。在20世界30年代，氣動(dòng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)門和機(jī)械的輔助動(dòng)作上。到20世界50年代初期，在液壓的基礎(chǔ)上，研究出了氣壓元件，不過這時(shí)氣壓元件體積龐大。60年代，氣動(dòng)技術(shù)已經(jīng)自成體系，形成工業(yè)控制系統(tǒng)。70年代，氣動(dòng)技術(shù)結(jié)合電子技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。80年代，開始演變成氣動(dòng)微型化和集成化的時(shí)代。90年代一直到現(xiàn)代，相關(guān)工作人員已經(jīng)將氣動(dòng)技術(shù)逐漸完善，各種高精度的氣動(dòng)機(jī)械手誕生，智能化的氣動(dòng)技術(shù)概念誕生。在技術(shù)的不斷完善下，不斷解決了生產(chǎn)線中遇到的控制問題。

氣壓系統(tǒng)可以適用于易燃易爆、高溫震動(dòng)強(qiáng)磁輻射等多種惡劣環(huán)境，所以氣動(dòng)系與多種器械結(jié)合使用。氣動(dòng)機(jī)械手是機(jī)械手中最重要的一種，它節(jié)能無污染、動(dòng)作靈活、結(jié)構(gòu)簡單，平穩(wěn)可靠、重量輕，這些優(yōu)點(diǎn)使氣動(dòng)機(jī)械手被半導(dǎo)體、化工、汽車制造、家電制造、軍事工業(yè)以及精密儀器等領(lǐng)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(chǔ)存器，用于內(nèi)部儲(chǔ)存程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、順序控制、算術(shù)操作和計(jì)數(shù)等面向用戶的最終指令，通過數(shù)字控制各種機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)的過程。

PLC實(shí)質(zhì)是專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，在硬件上與微型計(jì)算機(jī)差別不大，基本由電源、CPU、儲(chǔ)存器、輸出輸入接口電路、功能模塊和通信模塊六部分構(gòu)成。電源是系統(tǒng)中最重要的部分，PLC對(duì)電源的要求極高，如果沒有可靠的電源，就無法進(jìn)行正常的工作。CPU是PLC的控制中樞系統(tǒng)，它按照PLC賦予的功能接收存貯用戶的數(shù)據(jù)，并且診斷語法的錯(cuò)誤。在PLC運(yùn)行時(shí)，首先就是CPU掃描輸入的數(shù)據(jù)，然后存入I/O映象區(qū)。接著從用戶的儲(chǔ)存器中讀取用戶的程序，在經(jīng)過命令解釋后把運(yùn)算結(jié)果送入數(shù)據(jù)寄存器，在所有的用戶程序處理完以后，最后將儲(chǔ)存器的數(shù)據(jù)送入輸出裝置，在停止前一直反復(fù)運(yùn)行。一般大型的PLC采用雙CPU系統(tǒng)，這樣可以保證PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器有存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。功能模塊有計(jì)數(shù)和定位等功能。PLC的工作原理，是在PLC運(yùn)行后，有三個(gè)階段的工作過程，就是輸入采樣，用戶程序執(zhí)行以及輸入刷新。每一個(gè)掃描周期都必須完成這三個(gè)階段。在運(yùn)行的整個(gè)過程中，PLC的CPU重復(fù)執(zhí)行這三個(gè)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(shù)據(jù)和狀態(tài)，并且存入I/O映象區(qū)的對(duì)應(yīng)單元內(nèi)。在輸入采樣過程結(jié)束以后，進(jìn)入用戶執(zhí)行程序和輸出刷新階段。這兩個(gè)階段，輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)即使發(fā)生了變化，I/O映象區(qū)中的對(duì)應(yīng)單元數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)發(fā)生變化，所以輸入脈沖信號(hào)，那么脈沖信號(hào)寬度要大于一個(gè)掃描周期，這樣才能保證輸入讀入的均勻。

2.2 用戶程序執(zhí)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(jìn)行對(duì)用戶程序的掃描，在每次掃描時(shí)，又一直按照掃描左面的觸電構(gòu)成的控制路線，然后掃描右側(cè)，始終按照從左到右，從上到下的順序?qū)τ|電構(gòu)成的線路圖進(jìn)行邏輯的運(yùn)算處理，在根據(jù)邏輯運(yùn)算的實(shí)際結(jié)果，進(jìn)行刷新輸出線圈在I/O映象區(qū)中的應(yīng)位狀態(tài)，確定是否需要執(zhí)行特殊功能的指令。

3 氣動(dòng)安裝機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、工作原理以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)安裝機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要有安裝平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)設(shè)備、翻轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械手臂、真空吸盤、圓桶料倉、推料裝置和平移氣缸。系統(tǒng)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(gè)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(tái)上，讓吸盤機(jī)械手進(jìn)行取料操作。每個(gè)氣缸都安有磁性的開關(guān)裝置，用來判斷氣缸運(yùn)動(dòng)的期限位置所在。需要依靠延時(shí)才能實(shí)現(xiàn)推料氣缸與平移氣缸的配合。真空發(fā)生器、機(jī)械手、翻轉(zhuǎn)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(fā)生器產(chǎn)生了吸盤內(nèi)的壓力。安裝模塊的主要工作程序就是先吸料，然后機(jī)械手向前翻轉(zhuǎn)，將料放下安裝，最后機(jī)械手在向后翻轉(zhuǎn)就完成了。

3.1 氣動(dòng)安裝機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)安裝機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)主要是電源、電磁閥、真空發(fā)生器、各種氣缸、氣動(dòng)三聯(lián)件以及節(jié)流閥構(gòu)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(yùn)用二位五通單電的控電磁閥，翻轉(zhuǎn)和平移是用雙電的控電磁閥。

3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC的選型和I/O的接口分配

氣動(dòng)安裝機(jī)械手核心的控制器就是PLC。對(duì)控制的要求要進(jìn)行科學(xué)的分析，選用合理的PLC輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。PLC的輸入信號(hào)包括位置檢測信號(hào)、起停控制信號(hào)、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等。輸出信號(hào)包含：前站聯(lián)絡(luò)信號(hào)和電磁閥控制信號(hào)。

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(dòng)安裝機(jī)械手有三種控制的功能：單站控制、聯(lián)絡(luò)控制、停止控制。

單站控制是在工作初始時(shí)，在吸盤下有工件，翻轉(zhuǎn)氣缸和推料氣缸都在收回的狀態(tài)中，平移氣缸的位置可以在左右的任何方位，起動(dòng)單站控制程序，安裝模塊會(huì)先用吸盤吸料，然后翻轉(zhuǎn)氣缸向前方翻轉(zhuǎn)，這樣工件就會(huì)被搬運(yùn)到安裝的工作臺(tái)，吸盤將料放在工作臺(tái)上，經(jīng)過延時(shí)，機(jī)械手會(huì)向后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。在工件被吸走以后，上料模塊就會(huì)完成推料和更換料倉的程序。在推料工作完成以后，吸盤機(jī)械手會(huì)向后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，回到原來的位置。如果不停止操作，給出停止信號(hào)，那么氣動(dòng)安裝機(jī)械手就不會(huì)停止，會(huì)按照剛才的程序無限的循環(huán)操作下去。這個(gè)時(shí)候，要注意的是把安裝工作臺(tái)上的所有工件全部拿走，不然會(huì)損害機(jī)械。

4 氣動(dòng)安裝機(jī)械手的發(fā)展趨勢

4.1 重復(fù)高精度化

精度是指機(jī)械手所能達(dá)到的精確程度，這需要精良的驅(qū)動(dòng)器分辨率和反饋裝置。重復(fù)高精度就是指在機(jī)械手經(jīng)歷重復(fù)的工作多次，還能夠達(dá)到一樣的精細(xì)程度。如果氣動(dòng)機(jī)械手不能夠有完美的高精度，那么在工作中就會(huì)出現(xiàn)誤差，會(huì)為工作帶來嚴(yán)重的后果。所以氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展法相是朝著高精度進(jìn)行，可以結(jié)合現(xiàn)代化的控制技術(shù)與微電子技術(shù)，盡量的減少誤差，通過對(duì)程序的編輯，來校正誤差數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過機(jī)械手的不斷重復(fù)測試，找到合理的誤差范圍。因此，只要?dú)鈩?dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度持續(xù)提升，那么它的應(yīng)用范圍也就會(huì)逐漸擴(kuò)大，能夠更好地服務(wù)不同的行業(yè)。

4.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

自動(dòng)化的控制系統(tǒng)還需要以可編程序控制器-傳感器-氣動(dòng)元件為基礎(chǔ)，發(fā)展結(jié)合電子技術(shù)的自動(dòng)控制氣動(dòng)元件，將氣動(dòng)技術(shù)的開關(guān)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(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

氣動(dòng)安裝機(jī)械手的控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，所以在控制中難以避免出現(xiàn)誤差。而使用PLC控制氣動(dòng)安裝機(jī)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(guān)系，同時(shí)增加了系統(tǒng)和其他機(jī)械但愿的共同協(xié)作，提高了氣動(dòng)安裝機(jī)械手工作各個(gè)程序的效率，極大的促進(jìn)了氣動(dòng)安裝機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)和性能。

參考文獻(xiàn)

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