蘇金文

（滁州學(xué)院，滁州239000）

基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

蘇金文

（滁州學(xué)院，滁州239000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化的生產(chǎn)工具不斷應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)之中，其中機(jī)械手作為一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位控制和編程操作的多功能機(jī)器，在國(guó)內(nèi)外工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域占據(jù)重要地位。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制方式主要包括液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)以及電氣傳動(dòng)，隨著控制領(lǐng)域傳感器技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)以其控制簡(jiǎn)便、反應(yīng)靈敏和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。本文中對(duì)基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以求不斷推動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

PLC控制；氣動(dòng)；機(jī)械手；控制系統(tǒng)

隨著機(jī)械工程與控制工程的不斷成熟，機(jī)械手作為一種智能化設(shè)備廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，機(jī)器手控制的設(shè)計(jì)與研究已經(jīng)成為高新技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，使得機(jī)械手逐漸向機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的方向不斷發(fā)展。氣動(dòng)技術(shù)是機(jī)械手驅(qū)動(dòng)控制的重要方式，其主要以空氣為介質(zhì)，在控制過程中不會(huì)形成環(huán)境污染，此外氣動(dòng)技術(shù)具有控制簡(jiǎn)便和反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，因此氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)在工控行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械手在控制過程中為了保證建模簡(jiǎn)便通常采取2～3個(gè)自由度，但這往往會(huì)限制機(jī)械控制的靈活度?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）以其編程簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和性能優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域之中，本文中結(jié)合氣動(dòng)機(jī)械手的控制特點(diǎn)，提出了基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)，從而不斷提高機(jī)械手系統(tǒng)的控制可靠性與穩(wěn)定性。

1 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的需求分析

1.1 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)特點(diǎn)

機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式廣泛，目前控制媒介采用氣動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用最為廣泛。機(jī)械手的氣動(dòng)控制技術(shù)的氣源主要取自于周圍環(huán)境，因此不需要額外付出媒介的費(fèi)用，不僅節(jié)省了資金投入，同時(shí)又不會(huì)造成環(huán)境污染的問題。與另一應(yīng)用廣泛的液壓控制系統(tǒng)相比較來看，氣動(dòng)控制具有更加優(yōu)良的靈活性，且氣動(dòng)控制設(shè)備更加輕便，方便與前期的運(yùn)輸、安裝與調(diào)試。此外，氣動(dòng)控制裝置還具有對(duì)工作環(huán)境要求不高、噪聲小和無油污的有點(diǎn)，因其眾多的優(yōu)點(diǎn)而使氣動(dòng)技術(shù)成為現(xiàn)代控制技術(shù)中首選的控制方式[2]。在現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，進(jìn)一步推進(jìn)光一機(jī)一電技術(shù)一體化已經(jīng)成為重要研究方向，更多先進(jìn)的技術(shù)廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，在提高機(jī)械手抗干擾能力增加機(jī)械使用壽命等方面得到不俗成效。

1.2 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的發(fā)展前景分析

伴隨現(xiàn)代控制工程技術(shù)快速發(fā)展，機(jī)械手是為滿足工業(yè)生產(chǎn)需要而產(chǎn)生的智能控制裝置，各研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)為了獲得更加優(yōu)良的控制效果和經(jīng)濟(jì)利益而不斷加強(qiáng)對(duì)機(jī)械手的優(yōu)化控制，進(jìn)而不斷在機(jī)械手控制領(lǐng)域產(chǎn)生新的技術(shù)與成果，從而不斷引領(lǐng)工業(yè)控制領(lǐng)域的快速發(fā)展。對(duì)于機(jī)械手的業(yè)務(wù)分析來看，要求機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案具有成本小、控制簡(jiǎn)單及反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)[3]。為了滿足機(jī)械手研發(fā)企業(yè)的利潤(rùn)要求，技術(shù)研發(fā)人員需要具備全面的科研技術(shù)能力，能對(duì)新興的技術(shù)熱點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)掌控，將更加創(chuàng)新的技術(shù)和工藝引用到機(jī)械手控制領(lǐng)域之中，不斷促進(jìn)工控科技的發(fā)展，幫助企業(yè)獲取更多的利潤(rùn)。對(duì)于機(jī)械手業(yè)務(wù)能力發(fā)展而言，企業(yè)需要不斷跟蹤機(jī)械手領(lǐng)域最新的科技成果，保證企業(yè)處于該領(lǐng)域的前沿，此外還需要不斷開拓市場(chǎng)，推進(jìn)機(jī)械手應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，在保證企業(yè)既定利潤(rùn)的前提下，企業(yè)應(yīng)以最低的價(jià)格推動(dòng)機(jī)械手的普及，以促進(jìn)產(chǎn)品的生產(chǎn)與發(fā)展。

1.3 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能需要

機(jī)械手作為一種智能化的工控設(shè)備，應(yīng)根據(jù)使用用途和使用環(huán)境的不同，應(yīng)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)，因此對(duì)該系統(tǒng)的功能需求分析就顯得尤為重要。機(jī)械手的系統(tǒng)功能分析主要是指研發(fā)人員需要根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作要求進(jìn)行分析進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程，這要求科研人員將研發(fā)過程中的各個(gè)步驟不斷細(xì)化，將各個(gè)功能具體到每個(gè)步驟上，體現(xiàn)在控制方式上，在開放過程中應(yīng)盡量使用新的方式方法，并能不斷對(duì)新功能進(jìn)行開發(fā)[4]。本設(shè)計(jì)方案中，將機(jī)械手基于氣動(dòng)控制方式下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在控制方法上選擇手動(dòng)與自動(dòng)控制方式相結(jié)合，在具體的操作動(dòng)作上要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸出、縮回、旋轉(zhuǎn)、抓取以及放下等功能，各個(gè)動(dòng)作主要由氣動(dòng)回路利用電磁閥的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

2 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

2.1 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)與工作原理

氣動(dòng)機(jī)械手由手臂和基座兩部分組成，其中基座主要起到支撐和輔助手臂完成同轉(zhuǎn)，機(jī)械手可以在基座上從上至下進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手可以根據(jù)要求進(jìn)行夾緊/放松操作。不同類型的氣缸驅(qū)動(dòng)模式完成可機(jī)械手的不同動(dòng)作，這一過程主要是由PLC控制電磁閥的閥芯位置從而改變壓縮空氣的流通方向，進(jìn)而完成機(jī)械手的一系列動(dòng)作。氣動(dòng)機(jī)械手的工作壓力維持在0.6MPa，最高值可以達(dá)到1MPa。氣動(dòng)機(jī)械手的自由度包括兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)將一個(gè)工作臺(tái)上的物品搬到另一側(cè)的工作臺(tái)，并能在搬運(yùn)過程中完成上升/下降、左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能。升降操作的工作行程為0～1500mm，這個(gè)過程主要通過升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開關(guān)相互配合完成。而轉(zhuǎn)動(dòng)操作的工作行程為0°～180°，這個(gè)過程通過擺動(dòng)氣缸、軸向止推軸承、擺動(dòng)臂及擺動(dòng)位置微動(dòng)開關(guān)協(xié)調(diào)完成操作。

2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的控制方式

基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手根據(jù)控制模式不同可以分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種，其中手動(dòng)控制屬于一種輔助控制模式，主要應(yīng)用在系統(tǒng)安裝調(diào)試階段和系統(tǒng)維護(hù)階段，在手動(dòng)控制模式下，可以通過控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各個(gè)部分的獨(dú)立控制，手動(dòng)操作作為一種重要輔助控制模式必須在氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中給予考慮。自動(dòng)控制模式以PLC為主要載體，機(jī)械手按照技術(shù)人員預(yù)先編寫的程序進(jìn)行操作，自動(dòng)控制模式根據(jù)執(zhí)行周期的差異又可以分為單周期控制方式和全自動(dòng)控制方式。單周期控制方式會(huì)按照預(yù)設(shè)程序執(zhí)行一個(gè)周期的任務(wù)隨后即停止，不重新啟動(dòng)操作不會(huì)進(jìn)行下次任務(wù)。全自動(dòng)控制方式在一次啟動(dòng)之后會(huì)連續(xù)進(jìn)行任務(wù)操作，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以按下急停按鈕進(jìn)行停機(jī)操作。

2.3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)

啟動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械手完成各種操作的主要傳動(dòng)執(zhí)行裝置，這部分可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行多種不同任務(wù)，來使整個(gè)工控過程的更具有工作效率。本設(shè)計(jì)方案中基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)采用4個(gè)雙電控電磁閥來掌控3個(gè)氣缸和1個(gè)負(fù)壓發(fā)生器，來控制機(jī)械手的移動(dòng)軌跡和電磁閥以及氣缸的動(dòng)作，此外為了控制機(jī)械手的調(diào)節(jié)速度，在各個(gè)氣路配置了節(jié)流閥。在手動(dòng)控制模式下，按下啟動(dòng)按鈕可以控制氣缸和負(fù)點(diǎn)發(fā)生器的電磁閥上電，從而使氣缸驅(qū)動(dòng)和吸盤執(zhí)行操作，進(jìn)而推動(dòng)機(jī)械手工作。負(fù)壓發(fā)生器和氣吸盤串聯(lián)來滿足機(jī)械手吸起物品的要求，高壓氣體會(huì)通過負(fù)壓發(fā)生器，則氣吸盤會(huì)呈現(xiàn)負(fù)壓。

3 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)成

基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制主要由PLC控制器、I/O端子、數(shù)據(jù)電纜以及按鈕開關(guān)等組成，PLC通過控制電磁閥來驅(qū)動(dòng)氣缸和負(fù)壓發(fā)生器來按照程序完成命令操作，從而導(dǎo)致手臂和吸盤等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，此外在機(jī)械手的各關(guān)節(jié)上還按照了傳感器來檢測(cè)機(jī)械手的動(dòng)作情況。本氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程方案中共需要27個(gè)輸入量以及15個(gè)輸出量，因此本方案中選用S7-200系列PLC，其224CPU具有14點(diǎn)輸入和10點(diǎn)輸出，I/ O端子共包括24點(diǎn)，此外還包括7個(gè)擴(kuò)展模塊，其內(nèi)置時(shí)鐘模塊，具有較強(qiáng)的模擬量和數(shù)字計(jì)算能力。為了滿足數(shù)字開關(guān)量輸入要求，本設(shè)計(jì)擴(kuò)展兩個(gè)具有8點(diǎn)DC輸入的EM221模塊，另外系統(tǒng)擴(kuò)展一個(gè)具有8點(diǎn)繼電器的EM222模塊來滿足繼電器的輸出。

3.2 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入、輸出分配

在氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的左右極限點(diǎn)上各安排1個(gè)電感式傳感器，在機(jī)械手伸縮的前后極上各安排1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型的電磁開關(guān)，對(duì)于上下極限點(diǎn)也各安排1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電磁開關(guān)，因此機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要輸入/輸出點(diǎn)包括按鈕SB1控制氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備的啟動(dòng)，SB2控制整個(gè)系統(tǒng)的停止，SB3控制系統(tǒng)切換手動(dòng)和自動(dòng)模式，SQ1-SQ6分別代表左/右極限輸入，前/后極限輸入以及上/下極限輸入，YA1-YA5分別代表機(jī)械手左/右旋、伸出、縮回及下降輸出，YA6、YA7分別代表抓和放輸出。氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)主要完成工件搬運(yùn)動(dòng)作，例如將一生產(chǎn)線上的工件搬運(yùn)到另一側(cè)生產(chǎn)線，或?qū)⒁还ぷ髡旧系墓ぜ岬搅硪还ぷ髡?，其工作順序?yàn)椋荷想姟鷱?fù)位→啟動(dòng)→伸出→下降→抓取→回升→縮回→右旋→伸出→下降→釋放→回升→縮回→左旋→循環(huán)。

3.3 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求

根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作要求，在軟件設(shè)計(jì)過程中設(shè)定復(fù)位狀態(tài)為左邊時(shí)，伸縮氣缸處于縮回狀態(tài)，此時(shí)氣爪處于放松狀態(tài)。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)上電完成復(fù)位操作之后，系統(tǒng)左旋至左極限位置，伸縮氣缸縮回到后極限位置，氣爪處于放松狀態(tài)。當(dāng)操作人員按下啟動(dòng)按鈕之后，伸縮氣缸會(huì)前伸，并直接達(dá)到前極限點(diǎn)，下一動(dòng)作機(jī)械手會(huì)下降到下極限點(diǎn)進(jìn)行抓取工件操作，為了提高機(jī)械手控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通常軟件設(shè)計(jì)過程中會(huì)在這一階段安排一定的保持時(shí)間。抓取工件并待有限延時(shí)過后，機(jī)械手會(huì)上升至上極限點(diǎn)，之后再縮回后極限點(diǎn)，隨后機(jī)械手右旋至右極限點(diǎn)再伸長(zhǎng)至前極限點(diǎn)。為將工件轉(zhuǎn)移到固定位置，機(jī)械手會(huì)下降到下極限點(diǎn)，放松機(jī)械手放下工件從而完成工件搬運(yùn)工作。循環(huán)工作至機(jī)械手不需要進(jìn)一步動(dòng)作時(shí)，機(jī)械手會(huì)按照先上升、縮回及左旋的操作回到初始位置。通過分析可以知道，氣動(dòng)機(jī)械手完成一個(gè)工作周期需要完成13個(gè)動(dòng)作，在搬運(yùn)過程中還需要注意為了防止懸臂過長(zhǎng)而損壞機(jī)械臂，應(yīng)等到機(jī)械手完全縮回之后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文中提出基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用氣缸式驅(qū)動(dòng)，在保證工控動(dòng)作速度的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與工件的柔和接觸，這就可以有效避免對(duì)工件本身造成磨損，因而可以廣泛應(yīng)用到精密儀器和熱塑件控制領(lǐng)域，此外以空氣為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)具有來源廣泛、投產(chǎn)成本低以及維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。通過可編程邏輯控制器作為主要控制器，有效克服了繼電器接線固定，拓展困難的問題，同時(shí)將軟觸點(diǎn)取代硬觸點(diǎn)，提高了氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的可靠性。通過對(duì)系統(tǒng)的軟件編程可以為氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)提供更加靈活的控制方式。為了提高系統(tǒng)控制精度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取雙電控電磁閥從而更加準(zhǔn)確控制氣流的方向與速度。

[1] 劉志虎，王雷，王幼民，等.基于PLC的包裝袋機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2015（09）：58-63.

[2] 蔣浩.基于PLC的工業(yè)機(jī)械于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[3] 李晨魁.基于PLC的機(jī)械于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012（10）：147-148.

[4] 董晨晨.基于PLC控制的機(jī)械于組態(tài)環(huán)境研究[J].輕工機(jī)械，2013（6）：51-53.

Design and Research of Pneumatic Manipulator Control System Based on PLC

SU Jinwen
（Chuzhou University，Chuzhou 239000）

With the development of science and technology，intelligent production tools have been applied to modern industries，the robot as a multifunctional machine can realize automatic positioning control and programming operation，occupies an important position in the field of industrial automation control at home and abroad.Drive control of manipulator mainly includes hydraulic drive，pneumatic drive and electric drive，with control technology，gas sensor technology and the computer technology development，pneumatic technology and its control is simple，sensitive and cost advantages and to focus on the parties.In this paper，the pneumatic manipulator control system based on PLC is studied，in order to continuously promote he pneumatic manipulator control system widely used in various fields.

PLC control；pneumatic；manipulator；control system

TP241

A

2017-05-18

滁州學(xué)院校級(jí)規(guī)劃項(xiàng)目（2014GH21）

蘇金文（1985-），男，湖北省鐘祥市人，助理實(shí)驗(yàn)員，研究方向：機(jī)器人、機(jī)械自動(dòng)化。

責(zé)任編輯：建德鋒