气动机械手臂的PLC控制

袁静

引言：介绍了一款简易型精确定位机械手，针对气动驱动机械手，设计了基于三菱的FX2N可编程控制器的控制系统的硬件和软件；使用MSC Comm控件，实现了整套控制系统的控制界面，实现了气动机械手控制。

一、引言

气动机械手臂是气动技术在机械加工领域运用最多的一种技术，其具有质量好，重量轻，操作简单，性能稳定以及环保节能灯特点。气动机械手臂主要采用模块化的设计模式，尤其是使用当前传输技术的气动机械手臂，使用可多次编程的阀岛技术进行控制，同时，其气动伺服系统，也全部采用模块化的设计进行组装，便于进行精确定位 [1]。

本文的核心内容是研发构建一种定位精确、适用性广的气动机械手臂，對研发过程中具体涉及的机械原理和系统配置进行了研究，设计了基于三菱的FX2N可编程控制器的控制系统的硬件和软件。

二、气动机械手臂总体结构设计方案

气动机械手臂有多种类型，根据具体运动模式，可以区分为圆柱坐标、球式坐标、直角坐标和关节式四种机械类型[2]。机械手臂的运行组件由主体和辅助部件组成。用来改变抓取对象的空间位置的组件称为主运动部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而单纯改变抓取对象方位和状态、不涉及空间位置改变的组件就是辅助运动部件，主要有手腕和手指部位。

气动机械手臂的工作为两个位置点之间的材料移动工作，因此机械手臂要具有基本的升降、回转和伸缩能力，因此，这里采取圆柱坐标式构造模式，此处机械手臂保留三个自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降两参数）、回转自由度（用θ表示，有正转反转两个参数）和伸缩自由度（用r表示，分为伸展和收回两个动作）。该机械手臂的运动模式如图1所示。

图1 机 械 手 臂 运 动 简 图

三、控制系统的功能及结构分析

控制系统的设计首要问题是如何选择一台理想的PLC（主要是规格和型号），其次是PLC的I/O（输入/输出）点和外围设备的配置。然后是程序流程设计与程序编制[3]。

1、直线控制单元的控制

如图2所示为气缸的位置控制器及其构成图。图中气管线路用虚线代表，电线或电缆用实线表示。控制器的信号来自PLC，PLC是这部分的核心，通过磁传感器识别气缸到达的位置，达到实时精准地控制气缸。

2、 PLC控制硬件

要实现系统的主要功能，就必须对此气动机械手的每一个动作都要求要有一个手控的按键。为保证机械手执行工作的准确性，就要求在程序设计时要考虑到相互牵连的功能。在现实情况中，控制机械手的启动按键和停止按键必须要在一起的，这主要在于设置控制机械手的启停时考虑到节省PLC的输入输出点数这个因素。系统在运转时，要保证机械手的工作在一个正常的循环周期内。在设计时考虑到在机械手在进行每一个周期的工作时，机械手的设定值按系统主体需要设定，比如正转、反转、上升、下降、伸出、缩回、加紧、放松。每次开始前，需重新设定，使机械手回到原来的位置，进行工作，也就是所谓的“回原点”。对于回原点，包括自动式和手动式。根据系统需要选择PLC的型号，并对PLC端的输入输出点进行I/O分配，相关的分配表如表1所示。

图2 直线控制单元构成图

3、PLC控制软件

在连续模式下，机械手的运行是按照操控主体的初始设定进行的，要保证整个连续模式下的系统的高效运行[4]，就要求在操作之前检验整个系统的操作是否处在真正的设定值上。整个操作可利用各个具体的操作按键操控气缸的运行，在到达相对应的初始位置时再对气缸的运动进行减压、停止，这就保证了整个系统合理有效的会到初始值的原点。对于正处于连续模式的机械手来说，当系统被手动操控回到原始位置时，整个系统会自觉的进入到下一个正常的循环中。图3所示为循环动作梯形图。

图3 循环动作程序段

四、结论

对气动机械手的构造进行模块化整理，对气动机械手的整体进行相关的分析和设计，对其气动位置控制系统进行了深入研究，对气动机械手的控制系统的硬件、软件进行了设计。经过调试运行，达到了预定效果。实践证明，所开发的以PLC为核心的气动机械手控制系统，运行可靠性高，操作简单方便，环境适应性强。

参考文献

[1]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发[D]. 西安：陕西科技大学. 2003.

[2]陆鑫盛.气动新技术讲座——模块式气动机械手[J].液压气动与密封.2001（6）： 31～43.

[3]劳俊，伍世虔，杨叔子.模块化与现代制造技术[J]..制造技术与机床.2004（9）： 40～42 .

[4]魏志强，孙旭光，王益群，刘继刚. 可编程控制器在气动机械手控制中的应用[J].液压与气动，2002（6）：18-20 .

（作者单位：1、太原理工大学机械学院；2、大同煤炭职业技术学院 ）