基于PLC的气动爬杆机器人设计

郭昊坤

（江阴职业技术学院电子信息工程系，江苏 江阴 214405）

0　引言

在市政工程中，有大量的安装、维修等工作需要爬杆作业，对于有些直径较细、强度较小、人工爬杆难度大的杆件，如果实的采摘、树枝的修剪、路灯灯泡的更换、高压输电设备的检修和大型桁架结构建筑的维修等，工人在进行高空作业时有一定危险性，同时造成工作效率不高[1-3]。同时，若用高空水压的方式清理，在一定程度上还会造成水资源的浪费，而且清洗水的运输，和喷射枪的发射还需要消耗其它能源。

且随着科技的进步，高空作业高度越来越高，人工作业越发困难，传统的人力喷水清理方式的缺点已日益显著[4]。故若能利用爬杆机器人[5-9]完成相应高空作业，可以满足科技发展的要求，提供高效率、高规格、低风险、低能耗的高品质作业。本文基于PLC[10-11]设计了一种智能型气动式爬杆机器人，给出了其设计方案、硬件与软件系统设计，并通过联机调试证明了其正确性。

1　总体方案设计

爬杆机器人由多气缸组合结构完成爬行动作，所有气缸采用高精度短行程缸，包含多种电磁阀控制组合，设有过行程缓冲装置从硬件上保护设备安全，同时设有限位行程开关装置提供电信号反馈从软件上保护设备安全。主要由前臂爬行结构、前臂夹紧结构、体形爬行结构、后臂爬行结构、后臂夹紧结构、缓冲保护装置、限位保护装置、多点定位感测装置、特制爬杆结构、气动电磁阀组合和输入、输出接口模块等组成。如图1所示，前臂爬行结构、前臂夹紧结构完成机器人的前臂驱动功能，体形爬行结构完成机器人身体上下运动功能，后臂爬行结构、后臂夹紧结构完成机器人后臂驱动功能，模仿人体爬行运动的原理进行控制。

图1　爬杆机器人整体结构Fig.1 Overall structure of climbing robot

可编程控制器(PLC)具有灵活性很好、操作性很强、通用性很广泛等优点，已在工业控制领域中得到广泛应用[12-15]，本设计采用PLC技术完成对爬杆机器人的控制，以压缩空气为能源对气缸进行动作，根据实际需求运行，当机器人不在左右限位的时候，自动退回原点，然后再进行相应的动作，其运行流程如图2所示。

2　硬件系统设计

本设计中最主要的硬件模块为气动系统，主要由气源装置、执行元件、控制元件、辅助元件组成等组成。如图3所示，前臂后臂我选用的是型号相同的气缸，皆为超薄气缸。1B1、1B2、3B1、3B2磁感应接近开关，安装在前臂和后臂气缸的最上端与最下端。体形气缸为双轴气缸，2B1和2B2为安装在体形气缸的两个极限位置的磁感应接近开关。三个电磁阀依次控制后臂、体形、前臂气缸的伸缩。PLC硬件接线图如图4所示。

图2　机器人动作流程图Fig.2 Robot action flow chart

图3　气动系统Fig.3 Pneumatic system

3　软件系统设计与调试

根据图2所示机器人运行流程，本设计的软件系统设计主要为右爬、左爬及回原点三大程序的编写，其右行启动顺序功能图、左行启动顺序功能图以及回原点顺序功能图分别如图5、图6、图7所示。

将PLC和爬杆机器人进行连接，主机输入公共端S/S接开关电源的24 V，输出端COM1、COM2接开关电源的0 V。用实验导线接模型的弱电柱时，红色弱电柱短接后接24 V，黑色弱电柱短接后接0 V，黄色弱电柱接对应的PLC输入点。气动阀电磁线圈的黑色导线接PLC输出，红色导线短接接24 V。爬杆机器人的左右磁性限位接24 V电源，中间其他的限位黑色接COM端，黄色接相应的限位（黄色的端口是为了取限位的反应，是否得电）。如图8所示，当机器人在左限位时，X003，X005，X007，X011得电，才能启动运行开关。后经过调试实验，机器人可顺利实现各种预期功能，所设计的装置正确有效。

图4　PLC接线图Fig.4 PLC wiring diagram

图5　右行启动顺序功能图Fig.5 The right line starts the sequence function chart

图6　左行启动顺序功能图Fig.6 The left line starts the sequence chart

图7　回原点顺序功能图Fig.7 Homing sequence char

4　结语

随着科技的进步，高空作业高度越来越高，人工作业越发困难，各种传统高空作业方式的缺点已日益显著。本文设计了一种基于PLC的气动爬杆机器人，给出了机器人动作流程图、气动系统硬件图、PLC硬件接线图、右行启动顺序功能图、左行启动顺序功能图、回原点顺序功能图等，并通过联机调试证明了其正确性。

图8　PLC初始运行图Fig.8 PLC initial operation diagram

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