基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究

苏金文

（滁州学院，滁州239000）

基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究

苏金文

（滁州学院，滁州239000）

随着科学技术的不断发展，智能化的生产工具不断应用到现代工业之中，其中机械手作为一种可以实现自动化定位控制和编程操作的多功能机器，在国内外工业自动化控制领域占据重要地位。机械手的驱动控制方式主要包括液压传动、气压传动以及电气传动，随着控制领域传感器技术、气动技术和计算机技术的不断成熟发展，气动技术以其控制简便、反应灵敏和造价经济等优点。本文中对基于PLC的气动机械手控制系统进行研究，以求不断推动气动机械手控制系统在各领域的广泛应用。

PLC控制；气动；机械手；控制系统

随着机械工程与控制工程的不断成熟，机械手作为一种智能化设备广泛的应用到工业生产领域。在电子信息技术快速发展的背景下，机器手控制的设计与研究已经成为高新技术领域的研究热点，使得机械手逐渐向机械化、自动化和智能化的方向不断发展。气动技术是机械手驱动控制的重要方式，其主要以空气为介质，在控制过程中不会形成环境污染，此外气动技术具有控制简便和反应灵敏等特点，因此气动机械手控制系统在工控行业得到广泛应用[1]。传统的机械手在控制过程中为了保证建模简便通常采取2～3个自由度，但这往往会限制机械控制的灵活度。可编程逻辑控制器（PLC）以其编程简便、结构简单、可靠性高和性能优良等特点广泛应用到工业自动控制领域之中，本文中结合气动机械手的控制特点，提出了基于PLC的气动机械手控制系统，从而不断提高机械手系统的控制可靠性与稳定性。

1 基于PLC的气动机械手控制系统的需求分析

1.1 基于PLC的气动机械手控制系统特点

机械手的驱动方式广泛，目前控制媒介采用气动技术实现的气动机械手应用最为广泛。机械手的气动控制技术的气源主要取自于周围环境，因此不需要额外付出媒介的费用，不仅节省了资金投入，同时又不会造成环境污染的问题。与另一应用广泛的液压控制系统相比较来看，气动控制具有更加优良的灵活性，且气动控制设备更加轻便，方便与前期的运输、安装与调试。此外，气动控制装置还具有对工作环境要求不高、噪声小和无油污的有点，因其众多的优点而使气动技术成为现代控制技术中首选的控制方式[2]。在现代工业控制技术快速发展的大背景下，进一步推进光一机一电技术一体化已经成为重要研究方向，更多先进的技术广泛应用到产品设计之中，在提高机械手抗干扰能力增加机械使用寿命等方面得到不俗成效。

1.2 基于PLC的气动机械手控制系统的发展前景分析

伴随现代控制工程技术快速发展，机械手是为满足工业生产需要而产生的智能控制装置，各研发生产企业为了获得更加优良的控制效果和经济利益而不断加强对机械手的优化控制，进而不断在机械手控制领域产生新的技术与成果，从而不断引领工业控制领域的快速发展。对于机械手的业务分析来看，要求机械手的设计方案具有成本小、控制简单及反应灵敏的特点[3]。为了满足机械手研发企业的利润要求，技术研发人员需要具备全面的科研技术能力，能对新兴的技术热点进行技术掌控，将更加创新的技术和工艺引用到机械手控制领域之中，不断促进工控科技的发展，帮助企业获取更多的利润。对于机械手业务能力发展而言，企业需要不断跟踪机械手领域最新的科技成果，保证企业处于该领域的前沿，此外还需要不断开拓市场，推进机械手应用到更多的领域，在保证企业既定利润的前提下，企业应以最低的价格推动机械手的普及，以促进产品的生产与发展。

1.3 基于PLC的气动机械手控制系统的功能需要

机械手作为一种智能化的工控设备，应根据使用用途和使用环境的不同，应有针对性的设计机械手控制系统，因此对该系统的功能需求分析就显得尤为重要。机械手的系统功能分析主要是指研发人员需要根据机械手的动作要求进行分析进而设计实现的过程，这要求科研人员将研发过程中的各个步骤不断细化，将各个功能具体到每个步骤上，体现在控制方式上，在开放过程中应尽量使用新的方式方法，并能不断对新功能进行开发[4]。本设计方案中，将机械手基于气动控制方式下进行实现，在控制方法上选择手动与自动控制方式相结合，在具体的操作动作上要实现机械手的伸出、缩回、旋转、抓取以及放下等功能，各个动作主要由气动回路利用电磁阀的动作来实现运动动作。

2 基于PLC的气动机械手控制系统的相关技术

2.1 气动机械手结构与工作原理

气动机械手由手臂和基座两部分组成，其中基座主要起到支撑和辅助手臂完成同转，机械手可以在基座上从上至下进行直线运动，机械手可以根据要求进行夹紧/放松操作。不同类型的气缸驱动模式完成可机械手的不同动作，这一过程主要是由PLC控制电磁阀的阀芯位置从而改变压缩空气的流通方向，进而完成机械手的一系列动作。气动机械手的工作压力维持在0.6MPa，最高值可以达到1MPa。气动机械手的自由度包括两个直线运动和一个旋转运动，可以实现将一个工作台上的物品搬到另一侧的工作台，并能在搬运过程中完成上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能。升降操作的工作行程为0～1500mm，这个过程主要通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成。而转动操作的工作行程为0°～180°，这个过程通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成操作。

2.2 气动机械手的控制方式

基于PLC的气动机械手根据控制模式不同可以分为手动控制与自动控制两种，其中手动控制属于一种辅助控制模式，主要应用在系统安装调试阶段和系统维护阶段，在手动控制模式下，可以通过控制按钮实现对机械手各个部分的独立控制，手动操作作为一种重要辅助控制模式必须在气动机械手控制系统设计过程中给予考虑。自动控制模式以PLC为主要载体，机械手按照技术人员预先编写的程序进行操作，自动控制模式根据执行周期的差异又可以分为单周期控制方式和全自动控制方式。单周期控制方式会按照预设程序执行一个周期的任务随后即停止，不重新启动操作不会进行下次任务。全自动控制方式在一次启动之后会连续进行任务操作，当出现紧急情况时可以按下急停按钮进行停机操作。

2.3 气动机械手的气动系统

启动机械手的气动驱动系统是机械手完成各种操作的主要传动执行装置，这部分可以根据预设的程序执行多种不同任务，来使整个工控过程的更具有工作效率。本设计方案中基于PLC的气动机械手控制系统采用4个双电控电磁阀来掌控3个气缸和1个负压发生器，来控制机械手的移动轨迹和电磁阀以及气缸的动作，此外为了控制机械手的调节速度，在各个气路配置了节流阀。在手动控制模式下，按下启动按钮可以控制气缸和负点发生器的电磁阀上电，从而使气缸驱动和吸盘执行操作，进而推动机械手工作。负压发生器和气吸盘串联来满足机械手吸起物品的要求，高压气体会通过负压发生器，则气吸盘会呈现负压。

3 基于PLC的气动机械手控制系统的构成与设计开发

3.1 基于PLC的气动机械手控制系统的构成

基于PLC的气动机械手控制主要由PLC控制器、I/O端子、数据电缆以及按钮开关等组成，PLC通过控制电磁阀来驱动气缸和负压发生器来按照程序完成命令操作，从而导致手臂和吸盘等运动机构进行工作，此外在机械手的各关节上还按照了传感器来检测机械手的动作情况。本气动机械手控制系统的设计过程方案中共需要27个输入量以及15个输出量，因此本方案中选用S7-200系列PLC，其224CPU具有14点输入和10点输出，I/ O端子共包括24点，此外还包括7个扩展模块，其内置时钟模块，具有较强的模拟量和数字计算能力。为了满足数字开关量输入要求，本设计扩展两个具有8点DC输入的EM221模块，另外系统扩展一个具有8点继电器的EM222模块来满足继电器的输出。

3.2 基于PLC的气动机械手控制系统的输入、输出分配

在气动机械手控制系统的左右极限点上各安排1个电感式传感器，在机械手伸缩的前后极上各安排1个标准型的电磁开关，对于上下极限点也各安排1个标准电磁开关，因此机械手控制系统的主要输入/输出点包括按钮SB1控制气动机械手设备的启动，SB2控制整个系统的停止，SB3控制系统切换手动和自动模式，SQ1-SQ6分别代表左/右极限输入，前/后极限输入以及上/下极限输入，YA1-YA5分别代表机械手左/右旋、伸出、缩回及下降输出，YA6、YA7分别代表抓和放输出。气动机械手控制系统主要完成工件搬运动作，例如将一生产线上的工件搬运到另一侧生产线，或将一工作站上的工件搬到另一工作站，其工作顺序为：上电→复位→启动→伸出→下降→抓取→回升→缩回→右旋→伸出→下降→释放→回升→缩回→左旋→循环。

3.3 基于PLC的气动机械手控制系统的软件设计要求

根据气动机械手的动作要求，在软件设计过程中设定复位状态为左边时，伸缩气缸处于缩回状态，此时气爪处于放松状态。当气动机械手控制系统上电完成复位操作之后，系统左旋至左极限位置，伸缩气缸缩回到后极限位置，气爪处于放松状态。当操作人员按下启动按钮之后，伸缩气缸会前伸，并直接达到前极限点，下一动作机械手会下降到下极限点进行抓取工件操作，为了提高机械手控制的稳定性和准确性，通常软件设计过程中会在这一阶段安排一定的保持时间。抓取工件并待有限延时过后，机械手会上升至上极限点，之后再缩回后极限点，随后机械手右旋至右极限点再伸长至前极限点。为将工件转移到固定位置，机械手会下降到下极限点，放松机械手放下工件从而完成工件搬运工作。循环工作至机械手不需要进一步动作时，机械手会按照先上升、缩回及左旋的操作回到初始位置。通过分析可以知道，气动机械手完成一个工作周期需要完成13个动作，在搬运过程中还需要注意为了防止悬臂过长而损坏机械臂，应等到机械手完全缩回之后再进行旋转。

4 结语

本文中提出基于PLC的气动机械手控制系统的设计方案采用气缸式驱动，在保证工控动作速度的同时，可以实现机械手与工件的柔和接触，这就可以有效避免对工件本身造成磨损，因而可以广泛应用到精密仪器和热塑件控制领域，此外以空气为驱动介质具有来源广泛、投产成本低以及维护简单的优点。通过可编程逻辑控制器作为主要控制器，有效克服了继电器接线固定，拓展困难的问题，同时将软触点取代硬触点，提高了气动机械手控制系统的可靠性。通过对系统的软件编程可以为气动机械手系统提供更加灵活的控制方式。为了提高系统控制精度，执行机构采取双电控电磁阀从而更加准确控制气流的方向与速度。

[1] 刘志虎，王雷，王幼民，等.基于PLC的包装袋机械手控制系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2015（09）：58-63.

[2] 蒋浩.基于PLC的工业机械于运动控制系统设计[D].南京信息工程大学硕士学位论文，2012.

[3] 李晨魁.基于PLC的机械于控制系统设计[J].煤矿机械，2012（10）：147-148.

[4] 董晨晨.基于PLC控制的机械于组态环境研究[J].轻工机械，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

滁州学院校级规划项目（2014GH21）

苏金文（1985-），男，湖北省钟祥市人，助理实验员，研究方向：机器人、机械自动化。

责任编辑：建德锋