PLC气动机械手控制系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与开发

雷利霞

(神木职业技术学院，陕西 神木 719300)

0 引言

气动机械手作为我国工业领域中的常用设备，具有结构简单、使用寿命长、操作简单且动作迅速等优点。由于气动机械手通过借助气压传动的特性成功扩大了机械手的应用范畴。随着更高标准的工业需求，气动机械手也逐渐向智能化方向发展，作为气动机械手的核心技术，PLC控制技术目前的发展还存在一定的问题，如果能够将这些问题优化，那么气动机械手的智能化将会取得更好的发展。

1 气动机械手控制结构

机械手在工业领域中的重要性不言而喻，机械手共有三种类型，分别为手动机械手、电动机械手及气动机械手，由于气动机械手能够扩大机械手应用范畴的特性，因此，气动机械手成为了工业领域的普遍选择[1]。

随着科学技术的发展及人们对于机械加工工艺的要求越来越严格，对于机械手的要求也从原来的仅仅只需要上下、左右或者伸缩功能之外，现在还要求气动机械手实现自动化工作，即通过PLC控制系统进行气动机械手的自动化控制。

气动机械手的控制结构由气动装置及PLC控制系统两个部分组成，其中气动装置的控制元件有三种，分别为单向阀、单向节流阀及先导式电磁阀。气动装置的执行元件则为气缸和气动马达，这两个元件可以将装置中的空气压力转化为机械能。

机械手在运作时有几个基本功能模块，分别为手动操作模块、半自动化操作模块，以及全自动化操作模块[2]。其中气动机械手最基本的功能就是手动操控，设置这个功能的目的是防止机械出现故障及断电时可以手动操控机械回位。半自动化操作模块即通过人为操控机械的开始及停止，这个过程也需要PLC控制系统的参与。全自动化操作模块则实现了机械手的独立运作，直接在系统中设置好相应的程序，机械手就会按照既定的路线运作。

2 基于PLC的气动机械手控制系统设计

气动机械手由于其操控简单，并具有很强的抗干扰能力的特性，所以在工业领域的各个行业被广泛应用，通过PLC进行编程来控制气动机械手的运作，可以让其实现自动化的运转，不仅可以节约人力，还可以有效保护操作者的安全，因此，如何设计好该程序，让机械手合理地运行十分重要，机械手的PLC控制系统的设计工作分为四个部分，分别是机械手的总体设计、PLC控制系统的硬件设计、PLC控制系统的程序设计及通讯设计。

2.1 总体设计

在气动机械手的传统控制系统中，存在内接线复杂、灵活性差及可靠性低等问题，而PLC的应用就完美解决了这些问题。PLC是通过数字运算来进行操作的电子装置[3]。利用PLC对机械手进行控制，是利用特定的算法来进行物理量输入与输出的控制，通过这些物理量可以得到相关数据，以此来达到控制机械手的目的。在进行总体设计时，有三个过程，即输入、执行及输出。输入的是任务开始时的条件，然后再通过一定的程序控制机械手执行任务，最后机械手的工作达到了一定条件之后完成工作，不再运行。

2.2 PLC控制系统的硬件设计

2.2.1 PLC选型

利用PLC进行气动机械手的控制，主要是依靠气缸动作进行控制，而气缸动作是否能够准确控制机械手的动作，主要通过磁性限位开关来进行判断。在气动机械手的气缸内，需要进行伸出及缩回两个动作的检测，所以在进行设计时，需要分别针对这两个动作安装限位开关，再加上启动、停止的动作，以及机械手在执行升降或伸缩等动作需要的输入及输出点，不同的机械手由于使用目的不同，在输入输出点的需求方面也存在一定的差异，所以在进行PLC选型时需要考虑其输入输出点数，并且还要考虑到PLC的质量，这就是PLC选型时需要注意的地方[4]。

2.2.2 机械手控制面板设计

机械手的控制面板设计也根据具体的需求进行，在进行具体操作前需要进行工作方式的选择。图1为机械手控制面板的设计例图，其不同的功能均共用一个开关，选择不同的功能时，扭动开关即可进行切换。

图1 机械手控制面板图例

2.2.3 PLC外部电气接线设计

根据不同用途，以及工作时的控制系统需要具备的特性，再结合PLC系统的控制方式来进行PLC外部电气接线图的设计。

2.3 PLC控制系统程序设计

在PLC控制系统程序设计中，需要用到一些特定的算法，如递推法、回溯法等。

在进行程序设计时，会根据机械手的工作目的进行不同的设计，即根据其功能来进行程序设计，通过功能将控制系统分为三类，分别为初始化程序、回原位程序及自动程序[5]。

2.3.1 初始化程序设计

为了使状态继电器等电子元件复位，能顺利进行接下来的程序执行工作，所以要进行初始化程序设计，PLC本身可以为程序的气动提供M8002初始脉冲。

2.3.2 回原位程序设计

在机械手工作的过程中，由于既定的程序是从原位开始，若中途出现一些意外情况，如停电、机械故障等，就需要进行机械手的复位，否则机械手就不能够按照既定的程序继续运行，会影响机械手的工作，所以需要设计让机械手返回原位的程序。

机械手是否处于原位通过它的吸盘及气缸状态进行判断，当机械手处于原位时，它的吸盘处于真空状态，并且气缸也处于原始状态，当气缸处于原始状态时，升降气缸会处于上升限位状态，水平气缸则会处于缩回限位状态，机械手整体会呈现出左转限位的状态。

2.4 自动程序设计

自动程序设计决定了机械手的运行状态，共分为两个部分，分别为自动模式顺序功能图及自动程序梯形图。

2.4.1 自动模式顺序功能图

会动机械手进行自动化运作时，其不同的动作具有先后顺序，以此来保证机械手工作顺利进行，自动模式顺序关乎着机械手运行的稳定性，所以在机械手自动化的整体程序设计中是特别重要的一环。具体的设计过程为：自动系统首先要确认机械手是否处于初始位置，如果处于初始位置，则开始程序的自动运行，机械手的自动化运行系统在受到开始运行的指令后，就按照既定的程序开始固定的运作，并且不断周期性地重复，直到工作人员按下停止按钮，之后机械手会停止正在进行的工作，并且自动返回初始位置，方便下次工作。

2.4.2 自动程序梯形图

自动化的生产虽然提升了工业生产的效率，但是也会受到产品堆积的问题困扰。通过气动机械手生产的产品会堆放在固定位置，但是如果没有对该位置的产品进行及时清理，那么过度堆积的产品最终会影响到气动机械手的运行。甚至有可能造成气动机械手的卡顿、损坏，给企业带来损失。通过设计自动程序梯形图，即可有效解决产品堆积的问题。当产品堆积到一定数量时，气动机械手会自动停止工作，等到工作人员将堆积的产品清理后，气动机械手再开始产品的生产工作。气动机械手的自动程序梯形图根据气动机械手的用途，还有产品池的储存能力进行设计。

2.5 通讯设计

通讯系统是PLC控制系统的核心，是气动机械手控制系统对于外部环境感知的途径。在气动机械手工作时，其位置决定着控制系统的下一步指令，控制系统通过通讯系统反馈的信息进行气动机械手的控制。如，当需要进行气动机械手复位时，通讯系统会将当前气动机械手的位置反馈给控制系统，控制系统再“发布”控制命令，控制气动机械手完成复位。控制系统还会根据通讯反馈的数据信息判断气动机械手的运行状态，一旦发现故障问题，可以自动停止气动机械手的运行。

数据通讯的方式有两种，一种为串行，该方式传输速度较慢，优点是成本较低，并且设计简单，所以这种方式在PLC控制系统中被普遍采用。另一种为并行，相较串行而言，信息传输速度明显更快，但是它的成本比较高。企业需要严格控制生产成本，以增加企业的经营利润，并行方式的信息传播速度虽然快，与串行相比，其性价比相对较低，企业一般不会选择这种高成本的方式。

3 控制系统测试

气动机械手的程序编写工作完成之后，需要进行测试，通过测试确保程序稳定。测试的一般流程为：首先确保气动机械手处于初始状态，如气动机械手处于其它位置，那么需要进行手动复位调整。将气动机械手调整至初始位置后，即可开始控制系统的测试，通过系统控制气动机械手运行，完成一次完整的运作。测试人员要观察气动机械手运行的每一个细节，并做好记录工作。气动机械手控制系统的首次测试具有较高危险性，测试人员要注意保障自己的人身安全，如果发现气动机械手的运行存在问题，那么要立即停止测试，将气动机械手控制系统的问题更正后继续进行测试，直到排除所有隐患，并确保气动机械手可以在连续多次的运作中保持工作正常。

4 结语

气动机械手可以为企业提供大量生产力，节约企业的人力成本，提升企业的生产效率，为企业创造更多收益，对工业生产而言，气动机械手十分重要。当今社会，人们对于自动化程度高的设备有着越来越大的需求及依赖性，气动机械手的全自动化也更有利于工业生产，可以为企业创造更大的价值。基于PLC系统，可以实现气动机械手的自动化运作，根据不同的生产需求，需要设计不同的控制系统，设计工作人员要严格控制设计的各个环节，避免程序设计出现漏洞，造成气动机械手的故障甚至造成企业损失。在设计完成之后一定要严格进行系统测试工作，避免程序漏洞带来问题，此外，企业可以根据自身情况进行PLC控制系统的选择，既要符合企业经营的需要，又尽可能地为企业节约成本。

-全文完-