浅谈当前气动安装机械手的PLC干预思路

摘 要：本文介绍了气动机械手的发展历程、应用现状以及PLC的工作原理，在此基础上，对气动安装机械手的结构、工作原理、系统设计以及发展趋势进行了详细分析。

关键词：气动安装机械手；PLC干预；控制设计

1 气动机械手的发展历程及应用现状

气动技术的动力来源主要就是空气压缩机，通过对空气进行压缩，来传递能量或者传递信号，是自动控制的一种主要手段。

最早在1776年，由约翰威尔逊成功的研制了第一台空气压缩机，这台空气压缩机只能产生一个气压的压力。1880年，人们在火车的刹车上装上了气缸，成功的做成气动刹车。在20世界30年代，气动技术被广泛应用于自动门和机械的辅助动作上。到20世界50年代初期，在液压的基础上，研究出了气压元件，不过这时气压元件体积庞大。60年代，气动技术已经自成体系，形成工业控制系统。70年代，气动技术结合电子技术，被广泛应用于自动化控制领域。80年代，开始演变成气动微型化和集成化的时代。90年代一直到现代，相关工作人员已经将气动技术逐渐完善，各种高精度的气动机械手诞生，智能化的气动技术概念诞生。在技术的不断完善下，不断解决了生产线中遇到的控制问题。

气压系统可以适用于易燃易爆、高温震动强磁辐射等多种恶劣环境，所以气动系与多种器械结合使用。气动机械手是机械手中最重要的一种，它节能无污染、动作灵活、结构简单，平稳可靠、重量轻，这些优点使气动机械手被半导体、化工、汽车制造、家电制造、军事工业以及精密仪器等领域广泛使用。

2 PLC解析

PLC就是可编程逻辑控制器，其采用可编辑的储存器，用于内部储存程序，执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术操作和计数等面向用户的最终指令，通过数字控制各种机械进行生产的过程。

PLC实质是专用于工业控制的计算机，在硬件上与微型计算机差别不大，基本由电源、CPU、储存器、输出输入接口电路、功能模块和通信模块六部分构成。电源是系统中最重要的部分，PLC对电源的要求极高，如果没有可靠的电源，就无法进行正常的工作。CPU是PLC的控制中枢系统，它按照PLC赋予的功能接收存贮用户的数据，并且诊断语法的错误。在PLC运行时，首先就是CPU扫描输入的数据，然后存入I/O映象区。接着从用户的储存器中读取用户的程序，在经过命令解释后把运算结果送入数据寄存器，在所有的用户程序处理完以后，最后将储存器的数据送入输出装置，在停止前一直反复运行。一般大型的PLC采用双CPU系统，这样可以保证PLC系统的正常运行。存储器有存储系统软件和应用软件。功能模块有计数和定位等功能。PLC的工作原理，是在PLC运行后，有三个阶段的工作过程，就是输入采样，用户程序执行以及输入刷新。每一个扫描周期都必须完成这三个阶段。在运行的整个过程中，PLC的CPU重复执行这三个阶段的工作。

2.1 输入采样阶段

输入采样阶段中，PLC以扫描的方式依次读取所有的输入数据和状态，并且存入I/O映象区的对应单元内。在输入采样过程结束以后，进入用户执行程序和输出刷新阶段。这两个阶段，输入数据和状态即使发生了变化，I/O映象区中的对应单元数据和状态也不会发生变化，所以输入脉冲信号，那么脉冲信号宽度要大于一个扫描周期，这样才能保证输入读入的均勻。

2.2 用户程序执行阶段

在这一阶段中，PLC一直是按照从上到下的顺序依次进行对用户程序的扫描，在每次扫描时，又一直按照扫描左面的触电构成的控制路线，然后扫描右侧，始终按照从左到右，从上到下的顺序对触电构成的线路图进行逻辑的运算处理，在根据逻辑运算的实际结果，进行刷新输出线圈在I/O映象区中的应位状态，确定是否需要执行特殊功能的指令。

3 气动安装机械手的结构、工作原理以及系统的设计

气动安装机械手的结构主要有安装平台、翻转设备、翻转气缸、机械手臂、真空吸盘、圆桶料仓、推料装置和平移气缸。系统主要有上料和安装两种模块组成。上料模块包含推料装置、两个圆桶料仓料仓平移气缸与支架。上料模块就是把料仓中的工件放置在吸料台上，让吸盘机械手进行取料操作。每个气缸都安有磁性的开关装置，用来判断气缸运动的期限位置所在。需要依靠延时才能实现推料气缸与平移气缸的配合。真空发生器、机械手、翻转装置和吸盘组成了安装模块。真空吸盘的主要作用就是抓取工件。真空发生器产生了吸盘内的压力。安装模块的主要工作程序就是先吸料，然后机械手向前翻转，将料放下安装，最后机械手在向后翻转就完成了。

3.1 气动安装机械手气动控制系统的设计

气动安装机械手的气动系统主要是电源、电磁阀、真空发生器、各种气缸、气动三联件以及节流阀构成。气源的工作压力在6bar到8bar之间。推料和吸料的电磁阀都是运用二位五通单电的控电磁阀，翻转和平移是用双电的控电磁阀。

3.2 电气控制系统的设计

3.2.1 PLC的选型和I/O的接口分配

气动安装机械手核心的控制器就是PLC。对控制的要求要进行科学的分析，选用合理的PLC输入信号和输出信号。PLC的输入信号包括位置检测信号、起停控制信号、联络信号等。输出信号包含：前站联络信号和电磁阀控制信号。

3.2.2 PLC的控制程序

PLC的控制程序只要有控制的要求和工艺的流程。气动安装机械手有三种控制的功能：单站控制、联络控制、停止控制。

单站控制是在工作初始时，在吸盘下有工件，翻转气缸和推料气缸都在收回的状态中，平移气缸的位置可以在左右的任何方位，起动单站控制程序，安装模块会先用吸盘吸料，然后翻转气缸向前方翻转，这样工件就会被搬运到安装的工作台，吸盘将料放在工作台上，经过延时，机械手会向后进行翻转。在工件被吸走以后，上料模块就会完成推料和更换料仓的程序。在推料工作完成以后，吸盘机械手会向后进行翻转，回到原来的位置。如果不停止操作，给出停止信号，那么气动安装机械手就不会停止，会按照刚才的程序无限的循环操作下去。这个时候，要注意的是把安装工作台上的所有工件全部拿走，不然会损害机械。

4 气动安装机械手的发展趋势

4.1 重复高精度化

精度是指机械手所能达到的精确程度，这需要精良的驱动器分辨率和反馈装置。重复高精度就是指在机械手经历重复的工作多次，还能够达到一样的精细程度。如果气动机械手不能够有完美的高精度，那么在工作中就会出现误差，会为工作带来严重的后果。所以气动机械手的发展法相是朝着高精度进行，可以结合现代化的控制技术与微电子技术，尽量的减少误差，通过对程序的编辑，来校正误差数据，然后经过机械手的不断重复测试，找到合理的误差范围。因此，只要气动机械手的重复精度持续提升，那么它的应用范围也就会逐渐扩大，能够更好地服务不同的行业。

4.2 实现自动化

自动化的控制系统还需要以可编程序控制器-传感器-气动元件为基础，发展结合电子技术的自动控制气动元件，将气动技术的开关控制提升到更高精度的反馈控制，减少配线以及元件，这样不但可以使拆装操作更简单，还能够极大地提升系统的可靠性。

5 结束语

气动安装机械手的控制系统十分复杂，所以在控制中难以避免出现误差。而使用PLC控制气动安装机械手，不但处理了安装和上料模块与推移和平移气缸之间的互相繁琐关系，同时增加了系统和其他机械但愿的共同协作，提高了气动安装机械手工作各个程序的效率，极大的促进了气动安装机械手的优点和性能。

参考文献

[1]关明，周希伦，马立静，等.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化，2012（14）.

[2]罗庚兴，欧阳锡畅.基于PLC的气动安装搬运机械手设计[J].机电工程技术，2010（7）.

作者简介：孙东升（1967-），男，江苏盐城人，职称：副教授，研究方向：机械应用，机械控制、加工、工艺等。