基于PLC的气动机械手控制系统设计

张凯博1 付莹2

辽宁锦州渤海大学工学院

基于PLC的气动机械手控制系统设计

张凯博1 付莹2

辽宁锦州渤海大学工学院

作为多功能机器中的一种，机械手能够实现自动化的控制并且还能够编程，机械手在很多的重要领域中有着很大的应用价值。驱动方式能够是液压传动，也能够是气压传动，其次还能够是电气控制等。随着计算机科学技术的飞速发展以及气动技术的不断进步，由于气动技术自身具备着灵敏度高，资金成本低的优点，从而在工业生产的领域中有着广泛的运用。本文介绍了基于PLC的气动机械手控制系统。

机械手 PLC 气压传动

1 机械手的基本结构

机械手执行的相关结构在机械手运动的过程中起到了很大的作用，充当的角色是运动的实体。机械手在工作方面的性能与执行的结构布局有着很大的影响作用。按照手臂的坐标形式进行划分的的话，机械手的形式主要有球坐标式、圆柱坐标式、直角坐标式以及关节式。

1.1 直角坐标式

直角坐标式指的是在直角坐标空间中，能够在空间的3个方向参与往返运动，直角坐标式的应用场合是具有行排列的工作位置，也可以和传送带一起使用。在很多的工业生产中直角坐标式机械手都有着广泛的运用，例来自如丽水市某产品CF75-10-c-p-fo。这个产品的特性主要包括了以下几点：（1）将加工装配机械与进行生产的时候中的传送带能够相互配合起来；（2）应用的场合主要是在装箱类以及程序很繁琐的环节中，另外变更定位实现起来很容易；（3）具有高精度的定位，精度的变化与载重的情况没有任何关系。（4）结合开环或闭环，在数控装置中，数控起来比较容易实现。但是该产品的不足之处就是机械手的工作范围不是很宽广。

1.2 圆柱坐标式机械手

圆柱坐标式机械手在很多的工业生产中都有着广泛的运用，圆柱坐标式机械手的运动形式是直线运动以及回转运动。圆柱坐标式机械手在搬运以及测量方面有着很高的应用价值。本文设计的控制系统是基于圆柱坐标式机械手，目标是在垂直方向实现上下运动，在左右方向实现旋转运动。圆柱式机械手的特性为有着比较大的动作的范围，简单的结构以及良好的直观性。将滑动套筒安装在垂直的导柱中，在滑动套筒上安装手臂装，手臂的运动方向是上下直线运动，同时在水平面的运动是圆弧状的，并且能够实现左右方向的摆动。

2 气动机械手控制系统的功能模块

2.1 手动操作功能模块

基于PLC的气动机械手控制系统，根据通常情况下的控制装置一般选择的控制方法的目的是为了排查断电回位以及分析出现故障的设备。手动操作的原理比较直接，当按下的是什么方向就会执行对应的按钮。手动操作的实现过程如图1所示。

图1 手动控制图

如果需要夹紧零件能够通过手动操作完成，按下左边的按钮能够实现程序经过编写编译之后形成新代码，从而输入到执行的相关装置中，其中控制装置的主体是PLC，最终达到接夹紧的目的。

3 PLC硬件分配

3.1 I/O分配

按照PLC硬件里面I/O分配原则，气动机械手控制系统设计中的起停开关5点，旋转限位的开关是6点，手动按钮的开关是6点等气爪夹紧的总共是20点，控制气缸的电磁阀线圈有8个，本文的PLC的I/O分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

本文设计的气动机械手控制系统的输入点一共有20个，其中的输出点一共有9个，根据相应的原则，输入和输出的继电器都是32点。按照相关的要求设计出的机械手的控制面板图如图2所示。

图2 机械手的控制面板图

面板中包括理论一个手动开关，这个开关能够实现循环、手动以及单周，从而实现切换功能，操作以前需要进行的是选择合适的工作方式。

3.2 PLC的工作原理

运行中应用PLC，整个工作过程主要包括了三个阶段，分别是输入采样、执行用户程序以及刷新输出等。这整个过程是也叫一个扫描周期。当系统运行中，CPU会执行上述的三个流程，速度选择的是扫描的速度。

3.2.1 输入采样阶段

该过程进行的是将数据以及输入的状态存储到I/O映像单元中，而且输入的方式是扫描的。

3.2.2 用户程序执行阶段

该过程中，当I/O映像区的数据以及状态改变的时候，而输入点不变化，保存在RAM存储区的数据以及状态也许就会出现变化，同时梯形图程序的输出结果会影响到上面的梯形图，其中这些梯形图包括了线圈和数据等。另一方面，下面的梯形图在下一个扫描周期能够对上面的梯形图程序产生影响。

3.2.3 输出刷新阶段

用户扫描程序结束以后，下一步就是输出刷新阶段。该阶段中，CPU根据I/O映像区中的相应数据刷新以及状态的输出锁存电路，接着就会外部设备电路将会驱动。

4 PLC控制系统设计

4.1 顺序功能图

顺序功能图通常是在动作设计中根据特定的先后顺序执行才可以确保在整个生产流程中控制系统能够成功地运行。控制系统的设计路线是根据特定的规则展开的，从而保证控制任务的完成。很多的初学者通常都会接受该方法，而且有助于提高工程师的工作效率。该方法中涉及到了专用的编程元件，而且还设计了用来编制控制程序的功能图，这种方法已经是现今PLC程序中的常用的方法。根据控制任务的相关需求，从原点位置的右边，上面出发，规定顺序执行的动作线路是朝摆动缸的方向左摆，接着水平气缸伸出，垂直气缸伸出，吸持工件，最后垂直气缸退回，原位返回，这是一个循环的过程。由于当在整个执行的过程中，当问题或者停电的这些意外的因素发生的时候，就要用到手动的方式进行操作，气动机械手动流程图如图3所示。假如选中手动操作方式，X22开关会打开，水平伸出的动作将会被执行，此时到位后发出的信号就会被传感器检测到，X1等于ON意味着伸出停止。

图3 气动机械手动流程图

4.2 PLC控制系统梯形图程序

设计梯形图的过程中需要先设置开关X10等于1，从而选择手动的执行方；当X10等于1的时候，程序会自动地执行，能够根据程序控制的相关指令CJ完成，梯形图程序如图3所示。编写梯形图的方法有很多，能够采取起保停的方式，也就是根据条件进行起动从而实现自锁，当下一个状态是满足一定条件的时候就会将上一个状态切断，也能够通过SET指令与指令RST实现；其中典型的梯形图的特征是以STL主的步进梯形图。

结语：本文主要介绍了基于PLC的气动机械手控制系统，阐述了机械手的相关概述、手动控制模块的，机械手的基本结构，并且还设计了PLC的控制系统的梯形图程序。本文中详细完成了流程图的设计。PLC的工作原理主要是围绕着三个阶段展开，分别是输入采样、执行用户程序以及刷新输出等。

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