張凱博1 付瑩2

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

張凱博1 付瑩2

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

作為多功能機(jī)器中的一種，機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的控制并且還能夠編程，機(jī)械手在很多的重要領(lǐng)域中有著很大的應(yīng)用價值。驅(qū)動方式能夠是液壓傳動，也能夠是氣壓傳動，其次還能夠是電氣控制等。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及氣動技術(shù)的不斷進(jìn)步，由于氣動技術(shù)自身具備著靈敏度高，資金成本低的優(yōu)點，從而在工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域中有著廣泛的運用。本文介紹了基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)。

機(jī)械手 PLC 氣壓傳動

1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械手執(zhí)行的相關(guān)結(jié)構(gòu)在機(jī)械手運動的過程中起到了很大的作用，充當(dāng)?shù)慕巧沁\動的實體。機(jī)械手在工作方面的性能與執(zhí)行的結(jié)構(gòu)布局有著很大的影響作用。按照手臂的坐標(biāo)形式進(jìn)行劃分的的話，機(jī)械手的形式主要有球坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)式。

1.1 直角坐標(biāo)式

直角坐標(biāo)式指的是在直角坐標(biāo)空間中，能夠在空間的3個方向參與往返運動，直角坐標(biāo)式的應(yīng)用場合是具有行排列的工作位置，也可以和傳送帶一起使用。在很多的工業(yè)生產(chǎn)中直角坐標(biāo)式機(jī)械手都有著廣泛的運用，例來自如麗水市某產(chǎn)品CF75-10-c-p-fo。這個產(chǎn)品的特性主要包括了以下幾點：（1）將加工裝配機(jī)械與進(jìn)行生產(chǎn)的時候中的傳送帶能夠相互配合起來；（2）應(yīng)用的場合主要是在裝箱類以及程序很繁瑣的環(huán)節(jié)中，另外變更定位實現(xiàn)起來很容易；（3）具有高精度的定位，精度的變化與載重的情況沒有任何關(guān)系。（4）結(jié)合開環(huán)或閉環(huán)，在數(shù)控裝置中，數(shù)控起來比較容易實現(xiàn)。但是該產(chǎn)品的不足之處就是機(jī)械手的工作范圍不是很寬廣。

1.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手

圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在很多的工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的運用，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的運動形式是直線運動以及回轉(zhuǎn)運動。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在搬運以及測量方面有著很高的應(yīng)用價值。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)是基于圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，目標(biāo)是在垂直方向?qū)崿F(xiàn)上下運動，在左右方向?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。圓柱式機(jī)械手的特性為有著比較大的動作的范圍，簡單的結(jié)構(gòu)以及良好的直觀性。將滑動套筒安裝在垂直的導(dǎo)柱中，在滑動套筒上安裝手臂裝，手臂的運動方向是上下直線運動，同時在水平面的運動是圓弧狀的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)左右方向的擺動。

2 氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能模塊

2.1 手動操作功能模塊

基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)，根據(jù)通常情況下的控制裝置一般選擇的控制方法的目的是為了排查斷電回位以及分析出現(xiàn)故障的設(shè)備。手動操作的原理比較直接，當(dāng)按下的是什么方向就會執(zhí)行對應(yīng)的按鈕。手動操作的實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 手動控制圖

如果需要夾緊零件能夠通過手動操作完成，按下左邊的按鈕能夠?qū)崿F(xiàn)程序經(jīng)過編寫編譯之后形成新代碼，從而輸入到執(zhí)行的相關(guān)裝置中，其中控制裝置的主體是PLC，最終達(dá)到接夾緊的目的。

3 PLC硬件分配

3.1 I/O分配

按照PLC硬件里面I/O分配原則，氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計中的起停開關(guān)5點，旋轉(zhuǎn)限位的開關(guān)是6點，手動按鈕的開關(guān)是6點等氣爪夾緊的總共是20點，控制氣缸的電磁閥線圈有8個，本文的PLC的I/O分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

本文設(shè)計的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入點一共有20個，其中的輸出點一共有9個，根據(jù)相應(yīng)的原則，輸入和輸出的繼電器都是32點。按照相關(guān)的要求設(shè)計出的機(jī)械手的控制面板圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手的控制面板圖

面板中包括理論一個手動開關(guān)，這個開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)、手動以及單周，從而實現(xiàn)切換功能，操作以前需要進(jìn)行的是選擇合適的工作方式。

3.2 PLC的工作原理

運行中應(yīng)用PLC，整個工作過程主要包括了三個階段，分別是輸入采樣、執(zhí)行用戶程序以及刷新輸出等。這整個過程是也叫一個掃描周期。當(dāng)系統(tǒng)運行中，CPU會執(zhí)行上述的三個流程，速度選擇的是掃描的速度。

3.2.1 輸入采樣階段

該過程進(jìn)行的是將數(shù)據(jù)以及輸入的狀態(tài)存儲到I/O映像單元中，而且輸入的方式是掃描的。

3.2.2 用戶程序執(zhí)行階段

該過程中，當(dāng)I/O映像區(qū)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)改變的時候，而輸入點不變化，保存在RAM存儲區(qū)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)也許就會出現(xiàn)變化，同時梯形圖程序的輸出結(jié)果會影響到上面的梯形圖，其中這些梯形圖包括了線圈和數(shù)據(jù)等。另一方面，下面的梯形圖在下一個掃描周期能夠?qū)ι厦娴奶菪螆D程序產(chǎn)生影響。

3.2.3 輸出刷新階段

用戶掃描程序結(jié)束以后，下一步就是輸出刷新階段。該階段中，CPU根據(jù)I/O映像區(qū)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)刷新以及狀態(tài)的輸出鎖存電路，接著就會外部設(shè)備電路將會驅(qū)動。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 順序功能圖

順序功能圖通常是在動作設(shè)計中根據(jù)特定的先后順序執(zhí)行才可以確保在整個生產(chǎn)流程中控制系統(tǒng)能夠成功地運行。控制系統(tǒng)的設(shè)計路線是根據(jù)特定的規(guī)則展開的，從而保證控制任務(wù)的完成。很多的初學(xué)者通常都會接受該方法，而且有助于提高工程師的工作效率。該方法中涉及到了專用的編程元件，而且還設(shè)計了用來編制控制程序的功能圖，這種方法已經(jīng)是現(xiàn)今PLC程序中的常用的方法。根據(jù)控制任務(wù)的相關(guān)需求，從原點位置的右邊，上面出發(fā)，規(guī)定順序執(zhí)行的動作線路是朝擺動缸的方向左擺，接著水平氣缸伸出，垂直氣缸伸出，吸持工件，最后垂直氣缸退回，原位返回，這是一個循環(huán)的過程。由于當(dāng)在整個執(zhí)行的過程中，當(dāng)問題或者停電的這些意外的因素發(fā)生的時候，就要用到手動的方式進(jìn)行操作，氣動機(jī)械手動流程圖如圖3所示。假如選中手動操作方式，X22開關(guān)會打開，水平伸出的動作將會被執(zhí)行，此時到位后發(fā)出的信號就會被傳感器檢測到，X1等于ON意味著伸出停止。

圖3 氣動機(jī)械手動流程圖

4.2 PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序

設(shè)計梯形圖的過程中需要先設(shè)置開關(guān)X10等于1，從而選擇手動的執(zhí)行方；當(dāng)X10等于1的時候，程序會自動地執(zhí)行，能夠根據(jù)程序控制的相關(guān)指令CJ完成，梯形圖程序如圖3所示。編寫梯形圖的方法有很多，能夠采取起保停的方式，也就是根據(jù)條件進(jìn)行起動從而實現(xiàn)自鎖，當(dāng)下一個狀態(tài)是滿足一定條件的時候就會將上一個狀態(tài)切斷，也能夠通過SET指令與指令RST實現(xiàn)；其中典型的梯形圖的特征是以STL主的步進(jìn)梯形圖。

結(jié)語：本文主要介紹了基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)，闡述了機(jī)械手的相關(guān)概述、手動控制模塊的，機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)，并且還設(shè)計了PLC的控制系統(tǒng)的梯形圖程序。本文中詳細(xì)完成了流程圖的設(shè)計。PLC的工作原理主要是圍繞著三個階段展開，分別是輸入采樣、執(zhí)行用戶程序以及刷新輸出等。

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