朱 靜

（江蘇省靖江中等專業(yè)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(yè)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(tǒng)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(yè)系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)的需求

2.1 系統(tǒng)特征

機械手主要使用氣動技術操控，通過壓縮周圍環(huán)境空氣的方式，實現(xiàn)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(huán)境沒有很高的要求，使用中不會出現(xiàn)油污與噪聲，所以才會成為工業(yè)領域首選控制模式。隨著科技的進一步發(fā)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(yè)系統(tǒng)最常見的控制裝置，在各種現(xiàn)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(fā)企業(yè)都在研發(fā)新技術，優(yōu)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(xiàn)了很多新的機械手控制技術，推動工業(yè)系統(tǒng)快速發(fā)展。基于機械手使用環(huán)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(tǒng)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(fā)需求，研發(fā)時需要設計師將創(chuàng)新工藝與技術用于機械手的設計與研發(fā)，推動工控技術發(fā)展和進步，創(chuàng)造更大的企業(yè)發(fā)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(huán)境與用途，具備完善的系統(tǒng)功能需求。應按照機械手使用環(huán)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(huán)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(tǒng)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?；梢灾尾⑤o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(jié)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(xiàn)氣缸壓縮空氣流通方向的調控，實現(xiàn)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(jié)以及靈活的部件調整高度、方向及松緊程度，在工作狀態(tài)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(huán)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(tǒng)能夠自動化運作。與之對應的是手動控制，只有在出現(xiàn)需要對系統(tǒng)進行調試、維護以及系統(tǒng)出現(xiàn)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(zhí)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(zhí)行后不會繼續(xù)執(zhí)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(xù)執(zhí)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(tǒng)

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(zhí)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(fā)生器、3 個氣缸及4 個雙電控電磁閥，實現(xiàn)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(fā)生器和氣吸盤合力作用，在負壓發(fā)生器運轉中，能控制氣吸盤的運行狀態(tài)，進入負壓狀態(tài)后即可抓取吸住物體。

4 PLC氣動機械手控制系統(tǒng)構成

4.1 系統(tǒng)構成

以PLC 程序控制氣動機械手，需要用到按鈕開關、數(shù)據(jù)電纜、I/O 段子、PLC 控制器，使用電磁閥操控負壓發(fā)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(jié)中都設有傳感器，傳感器可以實時監(jiān)測機械手狀態(tài)，了解機械手狀況。本文所設計的氣動機械手系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(huán)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(shù)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(xiàn)損壞情況，需要等待機械手回縮，在系統(tǒng)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(tǒng)與基座平臺4 個部分?；脚_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(tǒng)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(tǒng)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(huán)。開關布置于氣缸外側，只需監(jiān)測磁環(huán)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(jiān)測氣缸位置。工作人員根據(jù)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(fā)射器2 個部分。光接收器與發(fā)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?？刂葡到y(tǒng)使用OMRON 公司的漫反射光電開關，信號為CX-441，隨時將信息發(fā)給PLC 控制模塊，便于控制模塊根據(jù)程序狀態(tài)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(shù)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(shù)據(jù)，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(zhí)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(tǒng)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(tǒng)的功能，完成通信數(shù)據(jù)傳輸，防止功能故障引起的系統(tǒng)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(tài)繼電器與定時器，為執(zhí)行后續(xù)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?；卦怀绦蛑校瑱C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(xiàn)故障時，需要設備重新回到初始位置工作。設備初始狀態(tài)為真空機械手吸盤，原始狀態(tài)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(wěn)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(tài)，運行系統(tǒng)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(tài)。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(lián)動，在機械手將貨物轉移到模具后，PLC 發(fā)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(shù)量時，系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)是非常重要的內容。因為計算機與PLC 是數(shù)字設備，所以達成通訊控制的關鍵在于設計出效率高的數(shù)字信息傳遞程序。數(shù)據(jù)通訊包括并行與串行兩種通訊模式，在同一時間內，并行數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)發(fā)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(tǒng)中最常見的情況。

5.4 系統(tǒng)測試

為保障PLC 系統(tǒng)能精準控制機械手，需要結合系統(tǒng)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(xù)執(zhí)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(tǒng)定位精度非常高。

6 結語

本文設計的PLC 控制系統(tǒng)，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(yōu)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(huán)境，保障系統(tǒng)操作精度與效果。