基于PLC的气动机械手控制系统现状和程序设计算法分析

杨荣擎

【摘要】机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法。随着传感器技术、气动技术、计算机技术等发展，基于计算机技术为基础的控制技术发展较快，其中气动技术以经济、廉价、灵敏等优点，而成为研究热点之一。本文介绍的是气动机械手模型基于专用计算机—PLC的控制系统设计。

【关键词】机械手；现状；程序设计；算法分析

一、PLC的气动机械手控制系统现状

随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械手的诞生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性生产由人工操作环节，尤其是在一些危险性大的行业生产中应用较为实用，如化工生产有存在有毒物质的；如核电厂等存在放射性物质的地方；如烟花等易燃易暴的生产场合等生产环境非常适合使用机械手进行生产。在机械行业中（铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等）应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机械手来搬运上下料材；机械零件的装配生产线中，利用机械手抓零件与另一零件装配在一起；如啤酒生产中用机械手把盖压在瓶子上等等。以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进安全生产、提高产品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。机械手的驱动方式有气压传动、液压传动、电气传动和机械传动。广泛使用的气压技术以压缩空气为介质，具有动作迅速、平稳、可靠、结构简单、较轻、体积小、节能、工作寿命长的特点，特别是对易于控制、易维护、无环境污染场合，因此气动技术常作为机械手的驱动系统的首选。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有无污染、抗干扰性强、价格低廉、结构简单、功率体积比高等特点。在机械行业越来越多的自动化设备中采用了机械手，主要是液压控制和气压控制两种方式。其中气动机械手以其取之不尽、用之不完的气源，及较低的生产成本受用户喜爱，各国对气动机械手的研究越来越重视，现已发展成为满足生产需要的一种重要的实用技术。

在工业自动化中液压与气压均有较在应用，而气动技术被称为工业自动化的“肌肉”，其应用灵活，夹持工件的重量越来越重，在各种机械加工行业和制造行业中，尤其在有毒的环境下作业等其应用程序越来越受重视，并得到相应廣泛使用。随着科技不断日新月异发展，自动化控制技术也不断更新，在微电子技术、计算机技术等技术的迅猛发展形势下，气动技术不断技术创新，以工程实际应用为目标，不断取得巨大的进步。另外气动技术作为一种相对来说比较廉价的自动化技术，由于其元器件的制造技术以及使用性能的不断提高，并且生产成本和流通成本不断的降低，气动技术现已被广泛的应用在现代工业、医疗业、生产以及输送领域。例如南昌市第一附属医院中引入了气动控制药品传输线，从药房配药师输出到住院部等各部门，每次提高了近5分钟，大大减少人力劳动及工作人员数量。

我国在机械手的应用方面，不是世界最发达国家，但已经较为广泛使用并取得了较成熟的技术。基于Programmable logic Controller为核心技术进行控制的液压机械手或气动机械手在工业自动化领域应用较多，非常适合PLC最基本功能，即逻辑控制。如用来上料下料、装卸机械零件、搬动物品等重复性的工作过程。我们国家原来的继电接触器控制系统大多已改造为基于 PLC 为控制器的自动化装置，通过最近20多年的应用实践表明，在机械制造及自动化领域具有强大生命力。研究的基于气动技术的可编程控制器控制的机械手是现代机电一体化自动生产线中重要辅助装置，可实现上下、左右、伸缩六个方向的三维空间运动，较适合经常变更批量生产与柔性制造生产的现代加工方法。它能按预定程序和控制要求完成物品、材料、机械零件等进行运送、上下料、搬运等作业，并可以在需要时修改程序实现动作变更。

二、PLC 程序设计算法分析

算法是决解决问题的清析思路的描述，对于一种可行的解决方案均有算法。当然对于不能解决的方案可能就没有算法可言。在本课题中编程环节要求按照机械手的工作要求实现控制要求，我们通过假定其初始位置为原点，其条件为右边、后退、松开状态为原始条件，基于此条件下实现自动操作与手动操作。

（一）分治法

设计中利用了重要的分治法实现各功能模块。依照气动机械手的工作顺序要求，划分为各小功能模块，如向左伸出与向右缩回、向下伸出与向上缩回、水平伸出与缩回等均可分为小的模块，设计中称为状态。从初始状态开始依次按要求将可画出相关系统流程图。各相关的状态中动作利用步进指令转换为梯形图程序，实现完整的控制功能。

（二）贪婪法

贪婪法的总体思路中把符合控制条件的所有情况均最大限度的列入考虑范畴，从中选取一个解决问题的办法。课题设计中考虑符合设计要求的思路会有多种，如采用最基本的思维，即把每一步均作最基本的“起-保-停”处理，并线圈内加入限制条件，在最开始作最基本的起动控制程序以实现控制功能。另一种方法可以采用 SET、RST 指令来实现控制功能。还有方法就是后续设计中用的用流程图把所有出现的动作当成状态，设计其流程图并转化为梯形图程序。

（三）递推法

对于设计的程序图中各状态的实现方法，采用逻辑递推法，依次基本逻辑关系递推。如课题设计中关于机械手控制工作顺序中的各状态中执行动作及各状态间转换关系，不断利用这种递推办法，把气动机械手的工作过程按顺序设计其控制逻辑图。在程序设计过程中存在各种逻辑限制关系，要依照控制要求反复推敲后加入程序以实现各种功能及相关条件限制。

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