基于PLC的气动机械手控制系统设计

朱 静

（江苏省靖江中等专业学校，江苏 靖江 214500）

气动机械手依靠气压转动完成机械手操作，寿命长，结构简单、动作可靠迅速，在工业领域中较常见。随着计算机技术的进步，气动机械手具备使用智能化技术操作的条件。为了进一步提升气动机械手的控制精准度与效果，本文针对气动机械手传统运作模式中存在的问题，设计了PLC（Programmable Logic Controller）气动机械手程序，旨在更准确地控制气动机械手。

1 PLC气动机械手程序设计的背景及目的

以动力来源划分，可将机械手分为手动、电动与气动3 种类型[1]，目前国内工业系统常见的机械手为气动机械手。本文以PLC 技术为核心，将PLC 技术嵌入机械手的控制体系，围绕PLC 技术设计机械手结构，将步进电机、传感器等装置安装在机械手内，实现机械手控制，使机械手能够按照程序完成各种操作任务，同时兼顾灵活性与操作需求，增强机械手的操作性能和效率。

2 PLC气动机械手控制系统的需求

2.1 系统特征

机械手主要使用气动技术操控，通过压缩周围环境空气的方式，实现机械手操控。相较于液压机械手，气动机械手灵活度较高，设备较轻便[2]，不论是运输还是调试和使用，都会更加简单。气动装置对周围环境没有很高的要求，使用中不会出现油污与噪声，所以才会成为工业领域首选控制模式。随着科技的进一步发展，机械手的研究方向必然是机电一体化，在高新技术的加持下延长机械寿命与抗外界干扰能力。

2.2 使用前景

如今，机械手已成为工业系统最常见的控制装置，在各种现代技术与控制技术支持下，赋予了机械手智能化含义。当前许多研发企业都在研发新技术，优化控制机械手，旨在获得更大的经济效益及机械手控制效果。在这样的背景下，市场上出现了很多新的机械手控制技术，推动工业系统快速发展。基于机械手使用环境和需求，在构思设计机械手操作程序中，必须确保机械手能够用非常灵活的系统参与部件运作，足够的灵敏度与较低的成本是机械手设计的重要前提。为平衡使用与研发需求，研发时需要设计师将创新工艺与技术用于机械手的设计与研发，推动工控技术发展和进步，创造更大的企业发展利润。

2.3 功能需求

智能工控设备的机械手，必须结合使用环境与用途，具备完善的系统功能需求。应按照机械手使用环境和条件进行探讨，确保机械手的功能可满足各种使用条件和环境，精准控制机械手操作。本文所进行的设计方式，就是以气动为控制形式，将手动与自动相结合，让气动机械手具备放下、抓取、旋转、缩回与伸出等功能需求，完美地完成一系列操作。

3 PLC气动机械手控制系统技术

3.1 结构与原理

本次所设计的PLC 操控程序结构非常简单，仅有基座与手臂2 个部分，使用前只需要将2 个部分组装即可运行。基座可以支撑并辅助手臂旋转[3]，基座中的机械手能够直线上下运动，并按照需要做出放松或夹紧操作，即靠不同的气缸带动不同的机械手细节部位，做出各种各样的动作。气缸驱动控制由PLC 程序控制，程序操控电磁阀阀芯，实现气缸压缩空气流通方向的调控，实现机械手动作的操控。平时气动机械手工作压力为0.6 MPa，极限情况下为1 MPa。本次所用气动机械手包含1 个旋转运动和2 个直线运动，能轻松搬运物品。在机械手运作中，可靠球形关节以及灵活的部件调整高度、方向及松紧程度，在工作状态下，机械手行程比较长，最高可以运动1 500 mm，依靠垂直导轨、微动开关、滑动导柱、垂直导柱与升降气缸配合完成运动控制。转动行程最大180°，靠微动开关、摆动比、止推轴承、摆动气缸操控[4]。

3.2 控制方式

本次设计的运行程序有3种模式，不同模式应对不同的生产条件与环境。平时运行中，为便于操作和管理，可以应用程序设置中的自控模式，在自控模式中系统能够自动化运作。与之对应的是手动控制，只有在出现需要对系统进行调试、维护以及系统出现问题时使用手动模式。手动控制中，工作人员需要使用控制按钮操控机械手的各个部位，该模块属于最基础、最重要的部分。自动控制中PLC 程序的设计十分重要，提前编写程序，并将程序代码输入到程序内，按照程序执行周期差异，自动控制模式可以分为全自动控制与单周期控制2种不同的控制形式。其中，单周期控制在完成1个周期任务执行后不会继续执行程序，需要再次点击程序才能启动[5]。全自动控制可以在完成1个周期任务后继续执行下1 个周期任务，重复操作程序，一直到点击结束任务按钮后才能停止。

3.3 气动系统

操作机械手时，需要使用气动驱动程序完成机械手传动命令。按照预设程序机械手能执行很多种任务，保障工控过程效率[6]。本文所设计的方案中，气动机械手使用1 个负压发生器、3 个气缸及4 个双电控电磁阀，实现气缸、电磁阀、移动轨迹动作控制。为获得更好的机械手控制速度，所有气路均配备气流阀，使用手动控制模式时，只需要点击相应按钮，就能使机械手中的部件相连，使设备通电。机械手中的气缸与吸盘在程序指令中独立运作，带动设备转动。吸起搬运物件靠的是机械手的负压发生器和气吸盘合力作用，在负压发生器运转中，能控制气吸盘的运行状态，进入负压状态后即可抓取吸住物体。

4 PLC气动机械手控制系统构成

4.1 系统构成

以PLC 程序控制气动机械手，需要用到按钮开关、数据电缆、I/O 段子、PLC 控制器，使用电磁阀操控负压发生器与驱动气缸，使其按照预设程序达成相应目的，操作吸盘与手臂完成相应动作。机械手所有关节中都设有传感器，传感器可以实时监测机械手状态，了解机械手状况。本文所设计的气动机械手系统包括1 个旋转运动和2 个直线运动，使用了15 个输出量与27 个输入量，应用S7-200 的PLC。另外，结合控制需要，控制系统还包含手动操控和全自动操控2个模块，手工操作属于基本功能，可以再断电回位以及出现故障时应对操作需求；全自动操控能够让气动机械手按照预设程序操作，依靠PLC程序操作。

4.2 系统输入与输出

将电感传感器安装于气动机械手左右极限点，之后将标准电磁开关安装在机械手伸缩前后极和上下极限点。机械手控制系统输出输入点包括旋转、回升、下降、抓取、气动等诸多内容。

4.3 软件

按照运行机械手对于程序和功能的需求，在软件的设计中，需要分别设置开始运行、复位及停止。操作软件中如果需要复位，则点击复位按钮，此时程序就会自动控制机械手的各个部件，回缩气缸的同时，松开气爪使其卸力。结束上述步骤以后，机械手回归原位。点击程序启动后，伸缩气缸前身到达极限点，之后机械手回到下极限点抓取工件，为保障机械手准确、稳定的控制，设计软件中需要设好延时，在延时过后手臂回到上极限点，之后回到后极限点。循环中机械手的动作指令程序可以使用默认的13 个标准化动作，或结合需要进行程序动作数量调整，只需要满足程序操作即可。不论多少个动作，只有做完一个周期后，才能让机械手回归原位。为了避免搬运物体中机械手因为悬臂过长无法保持平衡出现损坏情况，需要等待机械手回缩，在系统完成回缩动作后机械手旋转回归原位。

4.4 硬件

本设计的结构定为气动手指、伸缩手臂、升降系统与基座平台4 个部分。基座平台构成为支撑平台与摆动气缸，负责左右转动和支撑机械手；提升机构与薄型气缸完成提升，让机械手在基座中上下运动；伸缩手臂靠手臂伸缩气缸完成前后运动；气动手指及各种夹紧机构能让气动手指放松或夹紧。控制系统使用的S7-200PLC，气缸活塞是否到位使用磁性开关进行检测，并用光电开关对信号情况进行检查。气动系统包括电磁换向阀，由双电控与单电控两种类型组成。还用了标准气缸、气动手指、旋转气缸、薄型气缸等气动元件。

4.5 传感器

本设计中的气动元件信号传感器为磁性开关，所有气缸缸筒的材料都是隔磁性强、导磁性弱的不锈钢和硬铝。因为硬件中的活塞为非磁性体，所以在其上方加装永磁磁环。开关布置于气缸外侧，只需监测磁环磁场情况，就能掌握活塞的具体位置。闭合或断开信号，即可监测气缸位置。工作人员根据触点LED 是否亮起掌握活塞位置与触点位置，调试十分方便。

4.6 光电开关

本程序的光电开关包括光接收器与光发射器2 个部分。光接收器与发射器被设置在同一侧，在光线照射到检测对象以后反射光纤被接收器接收。控制系统使用OMRON 公司的漫反射光电开关，信号为CX-441，随时将信息发给PLC 控制模块，便于控制模块根据程序状态判断检测工作是否需要调整。

5 控制方案

5.1 整体设计

因PLC 是数字运算电子装置，气动机械手操控中PLC的使用可满足程序的高灵活度、高可靠性与简化复杂接线的需求。使用PLC 设计控制程序时，需按照特定算法输入输出物理量，获得相应信息与数据，取得智能化控制管理气动机械手目标。气动机械手程序设计中，内容包含输出处理、执行程序、输入处理及工作过程。以上内容直接关系到程序的运作效果与质量。控制系统由许多元器件构成，包括报警器、指示灯、压力变送器、光电开关、电磁阀等。采用主站+从站控制方式，可分步控制所有控制系统的功能，完成通信数据传输，防止功能故障引起的系统瘫痪问题。

5.2 控制程序设计

PLC 程序在设计中使用多种算法，常见的有地推法、回溯法、贪婪法、分治法。使用PLC 模块控制气动机械手时，结合使用需求分析操作方式，控制程序包括初始化程序、回原位程序和自动程序。初始程序中，需要先复位状态继电器与定时器，为执行后续程序内容奠定基础。本次的控制程序使用模块自带的M8002 初始气动脉冲。回原位程序中，机械手运行时，特别是冲压生产期间，气动设备需要在相同初始位置，从而让机械手完全按照固定程序操作。在设备出现故障时，需要设备重新回到初始位置工作。设备初始状态为真空机械手吸盘，原始状态气缸。自动程序由自动模式顺序功能图与自动程序梯形图两部分组成，前者在既定的先后顺序中完成控制，能让机械手保持稳定的运转。在确定机械手初始运行位置后，控制程序能进入自动运行状态，运行系统接收到运行操作指令后，按照既定程序做出周期性动作，在不断重复中完成任务，直到工作人员点击结束按钮，才会停止工作回到初始状态。后者在运行中，同样为既定程序顺序操作。启动机械手后，如果满足原位条件，就能自动工作；如果不满足条件则程序不会自动运行，反而会停止行动。自动程序梯形图同冲床联动，在机械手将货物转移到模具后，PLC 发出指令控制冲床，冲床开始工作，完成工作且货物堆积到相应数量时，系统发出警报，通知转移货物，此时机械手进入自动程序梯形图步骤。

5.3 PLC通讯

在PLC 控制中，通信系统是非常重要的内容。因为计算机与PLC 是数字设备，所以达成通讯控制的关键在于设计出效率高的数字信息传递程序。数据通讯包括并行与串行两种通讯模式，在同一时间内，并行数据可以实现发送与接收目的，有着较快的通讯速度，但成本比较高。虽然串行通信速度比较慢，但因为有着简单的线路设计，所以成为PLC 控制系统中最常见的情况。

5.4 系统测试

为保障PLC 系统能精准控制机械手，需要结合系统操作需求设置相匹配的配件，设计安装各部件操控模块的程序，并试运行。在调试好后，再连接电源，启动PLC模块和控制程序。

正式测试控制程序时，机械手完全按照预设的PLC控制程序运作，自动化搬运机械手旁边放置的各种货物。在工作人员点击停止后，程序停止指令的传输，启动按钮从绿色变成红色，机械手不再继续执行程序。

机械手对气缸驱动非常依赖，使用PLC 驱动可赋予气动机械手智能化操作能力。气缸运动精度关系到机械手的运动精度，因为难以预测气缸运动的轨迹，所以本文使用了实测轨迹的方式对气缸运动精度进行验证。测量中得出，回转气缸误差值0.54 mm，气降气缸误差值0.58 mm，伸缩气缸误差值0.68 mm，表明PLC 气动机械手控制系统定位精度非常高。

6 结语

本文设计的PLC 控制系统，在气动机械手操作中取得了很好的效果，平衡了工控速度、精准度，在柔和接触中，保障生产控制效果，可以在热塑件、精密仪器控制中使用。气动控制具有维护简单、成本低、介质来源广泛等优点，使用PLC 控制器扩展比较简单，不需要考虑继电器接线固定，使用软触点提高操作可靠性。使用程序编程的方式，让气动机械手能更灵活地用于各种生产环境，保障系统操作精度与效果。