PLC的氣動機械手控制系統設計

如今，氣動技術在工業生產當中的應用愈發廣泛，基于氣動技術設計而成的機械手設備，由于其本身具有成本低、性能高等優點，成為工業生產企業較為常用的工具，也逐漸受到各個企業的重視。相比基于其他控制方式設計而成的機械手而言，氣動機械手設備具有成本低、結構簡易、環保以及抗干擾力強等優勢。PLC技術的加入，使得氣動機械手的優勢更為明顯，且氣動機械手的使用與控制方式變得更為靈活與方便，促進了氣動機械手的發展。
1、機械手技術簡介
機械手是設計人員將真人手部能完成的動作為模仿對象設計而成的機械設備。機械手能夠依照使用者編入的程序或下達的指令，沿固定的軌跡完成自動抓、取以及搬運等動作，為使用人員提供便利。
如今機械手在工業生產中的廣泛應用也促進了機械手發展，機械手的智能化水平得到大幅提升。目前，我國大部分工業生產中所使用的機械手，其大部分都擁有自動化裝置，尤其將機—電—液—氣相結合的自動化裝置更容易受到工業生產企業的喜愛。如今，機械手技術的應用范圍不斷擴大，已經開始向非制造業延伸，如采礦機器人、建筑機器人，越來越多的高科技技術開始添加至機械手之上，使機械手的更加完善，對人類發展具有積極意義。
2、機械手的基本形式
2.1 直角坐標式機械手
注塑形直角坐標式機械手是目前較為有代表性的機械手之一。其以空間直角坐標系OXYZ為設計基礎，能夠使機械手按一定順序沿著空間直角坐標系的三個軸進行往返運動，使得機械手獲得六個自動度的運行，往往應用于工作目標排列整齊，且工作位置排列成行的工作當中。部分工業制造企業也將直角坐標式機械手安置于傳送帶上，使兩者相互配合使用。
直角坐標式機械手應用范圍較廣，且其本身便具備一定的優勢，如CF75—10—c—p—fo型機械手。直角坐標式機械手具有以下特點：其一，生產量較高且頻率較快，可以達到企業對機
械手速度方面的要求。其二，與生產流水線中的傳送帶配合較為默契，也能與加工裝配機械進行配合。其三，能夠完成工序繁瑣的工作，如裝箱，使用人員也能夠輕易的變更定位。其四，定位精度較高，使用人員輸入坐標之后，機械手便會自動工作，且定位精度不受物品載重的變化而發生改變。但直角坐標式機械手也存在一定缺點，即其作業范圍較小，只能完成固定區域內的工作。
2.2 圓柱坐標式機械手
物料分揀機械手是立體倉庫物料傳送系統的重要組成部分，而大部分企業都選用圓柱坐標式機械手作為物料分揀機械手。圓柱坐標式機械手能夠使氣缸進行水平伸縮，同時也可以令氣缸進行上下垂直運動，同時要求機械手能夠左右旋轉，并抓緊目標物料。企業往往使用圓柱坐標式機械手進行測量與搬運工作。
圓柱坐標式機械手具備許多優點：結構較為簡易、占地面積小，工作范圍廣等。若設計人員將活動套筒安裝于垂直導柱之上，機械手還可以實現在上下垂與水平面運動過程中，完成帶有弧度的左右擺動的動作。
2.3 球坐標式機械手
以車橋附件焊接系統機器人，其不僅能夠沿一個方向做直線運動，還可以以兩個坐標軸為圓周進行旋轉。球坐標式機械手擁有的自由度較大，在工業制造中的應用也較為頻繁。球坐標式機械手能夠完成如下動作：旋轉、伸縮、彎曲、擺動等，對工業制造的發展具有積極意義。球坐標式的基本構造是將機械手安裝于樞軸之上，之后將樞軸安裝于叉形夾之上，以便機械手能夠于垂直平面之內實現圓弧狀上下運動，工作范圍與工作效果幾乎與人類相同。球坐標式機械手工作范圍廣、工作效率高，對我國工業制造企業的發展具有積極意義。
3、PLC控制系統設計方法
3.1 PLC程序設計算法分析
任何能夠解決問題的方案都有對應算法，算法是解決問題時思路的反映。通常有以下兩種算法：
*，分治法。設計人員可以使用分治法以達到各功能模塊實現的目的。設計人員在實施小功能模塊區分作業時，應以氣動機械手的實際工作順序作為參照。自機械手初始狀態起，依照具體的施工過程設計機械手具體的工作流程，其他模塊中機械手所執行的動作，設計人員可使用步進指令將其轉化為梯形式程序圖，以便達到全面控制的目的。
第二，貪婪法。貪婪法的整體思路是設計人員zui大程度的將與控制條件相符的全部狀況納入設計顧慮范圍之內，并在所有情況中挑選一個利于解決問題的辦法。設計人員在設計過程中會發現，與設計需求相符的算法多種多樣，設計人員可使用SET、RST指令完成控制功能的設計。
3.2 氣動機械手控制系統的軟件設計
順序功能圖，也可稱其為SFC圖，其設計是氣動機械手控制系統軟件設計的重要步驟之一。通常情況下，機械手必須依照固定的順序完成動作，才能夠保證工業制造工作順利完成，此時便需要設計人員設計順序功能圖。順序功能圖能夠保證機械手可以按照預定順序逐步完成動作，從而達成任務目標。該方法較為簡易，易于初學人員掌握，同時對加快機械手的設計進度具有積極意義，頻繁在控制系統設計過程中使用。順序功能圖中含有共用以及的編程元件，設計順序功能圖已然是我國目前設計PLC程序的主要方式。設任務要求為：設定機械手右上方、縮回位置作為原點位置，機械手必須完成如下動作：*，擺動缸往左側擺動，水平氣缸向外探出，之后垂直氣缸向外探出，引導機械手抓牢目標。第二，水平氣缸向內縮回，之后垂直氣缸向內縮回，同時擺動缸往右側擺動，松開目標。第三，重復上兩步動作。
設計人員在設計過程中，還需注意機械手在施工過程中容易出現以下狀況：如啟動設備出現問題，或是企業發生停電現象。此時施工人員便需使用手動方式實施作業。因此，設計人員需在機械手設計當中設計機械手手動控制方式。當施工人員選擇使用手動方式操作機械手時，需閉合與X22相應的開關，執行水平探出動作，傳感器開始進行檢測。當機械手*進入手動操作模式之后，會向施工人員發出提示信號。此時，X1顯示為ON，不會探出。其他機械手的工作順序與上述基本相同，機械手需完成水平收縮、垂直探出等一系列動作。
設計人員還需編制氣動機械手總體SFC圖。X11、12、13、14、15、16等開關中只能存在一個開關為ON狀態，不得同時存在多個開關同時開啟的現象。設計人員需在系統中安裝轉換用開關，確保機械手不會存在多種控制方式并存的現象，以免機械手出現故障，甚至影響周圍工作人員的安全。設計人員可將X10作為用以自由切換自動與手動的開關，當X10處于ON狀態，則機械手為手動操作模式，反之則為自動操作模式。氣動機械手系統當中的PLC程序總體SFC機構。
PLC控制系統梯形圖程序也是氣動機械設計的重要環節之一。梯形圖的的基本設計方法如下：當用以選擇的開關X10不等于1時，機械手變換為手動操作模式，反之，則機械手變換為自動操作模式。模式之間的變化，設計人員可以通過控制質量CJ完成，實現程序結構圖的建立。梯形圖存在多種編寫形式，設計人員可利用“啟動—保持—停止”的方式進行設計。即當機械手按照預定條件啟動，之后自動鎖定進行動作保持，當機械手進入下一狀態，便會及時斷開與上一個狀態的連接，設計人員也能使用SET、RST完成PLC控制系統梯形圖的設計。
如今，工業生產設備逐漸向自動化發展，氣動機械手發展對我國工業制造具有積極意義。我國應推廣機械手在工業制造中的應用，以便提高我國工業制造的精度，也減少其中的危險，促進我國工業制造行業的發展。