基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制

梁春鸿

本文针对气动机械手的结构以及工作原理的介绍，重点分析了气动机械手的控制要求，并在此基础上进行气动机械手控制系统的设计，而且通过相关实验，证明该机械手控制方便、定位精确，可以长期稳定的运行。

目前，由于机械手技术有了快速的发展，同时PLC控制技术以及点控制技术也在生产实践中得到应用，所以，适合在工业自动化生产中使用的通过机械手也有了不小的进展。因为气动机械手具有诸多优势，比如结构简单、定位精确、控制便捷等，因此被自动化生产线大量采用。本文将结合自动化生产线的实际情况，进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制的探讨。

一、起动机械手的机构及原理

1、气动机械手的结构

该气动机械手的结构如图1所示，其中1为推料气缸，2为工作库，3为单杆气缸，4为双导杆气缸，5为气动手抓，6为转轴，7为步进电机，8为传送带。在以上组成元件中，燃料气缸主要负责在工件库中推送工件；气动手抓则是用来抓紧工件或放松工件；双导杆气缸是用来控制机械手臂进行缩回或者伸出动作；单杆气缸可以提升或者降低气动手抓；不仅电机控制着机械手臂的旋转，并且依据脉冲数量来保障定位准确。

2、气动机械手的工作原理

本文探讨的气动系统包括了推料气缸、升降气缸、伸缩气缸和气动手抓等组成部分。其中，单电控制二位五通阀负责控制推料气缸、升降气缸以及伸缩气缸。而气动手抓则是被双电控制二位五通阀来进行控制。至于气缸动作过程中的稳定性，一般通过单向节流阀来控制其速度，速度得到控制以后，气缸在运动过程中的稳定性即可大大提高。该气动机械手在工作中遵循以下流程：工件存料后气动机械手向前伸出—前臂降低—工件被气动手指夹住—前臂抬升并缩回—手臂向右旋转—手臂前屈—手爪把工件放进料口—手臂缩回—机械手复位，直到下一个工件就位，这一过程循环进行达到工作的目的。在本系统中，为了保障机械手的定位准确，把电感传感器装置在机械手底座处，当作其基准传感器。并且在机械手向左、向右旋转到最大位置处加装限制装置。

二、气动机械手控制标准

对于气动机械手控制标准，主要体现在搬运工件的工作中，不仅要准确控制其操作，还要同步呈现系统的状态。在遇到紧急事件时，可以进行相应的处理。具体要求分三个方面：（1）机械手在工件到位后向前伸出手臂，当传感器检测后，手爪气缸延迟0.5秒后下降，在限位传感器感应后，同样延迟0.5秒再抓取工件，手抓接受到加紧信号之后，延迟0.5秒上升气缸，到位后手臂气缸回缩，缩回限位到位之后右旋转，到达一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪气缸降低，下降限位后，手动手爪延迟0.5秒松开工件，手爪提高限位后，手臂气缸向后缩，缩回限位后手臂进行左旋转，直到下一个工件就位，再重复以上要求。（2）启动、停止、复位、警告。在该系统通电，“复位”被点动后系统复位，并且清除干净存料台。点击“启动”按钮之后，表示缺料情况的黄灯会闪烁，设备在放进工件后再运转。当点动“停止“按钮后，全部元件都会暂停工作，警告灯也会点亮，同时缺料黄灯也会继续闪烁。（3）系统意外断电的处理。设备会在系统意外断电后暂停工作。直到电源供应恢复之后，点击“复位”按钮，并且再次点动“启动”按钮，这个时候机械手会执行控制要求（1）中的有关内容。

三、气动机械手控制系统的设计

1、气动机械手控制系统的硬件设计

本系统在动作流程上主要根据气动机械手控制系统的工作原理，并且结合电磁铁的状态和步进电机的方向信号DIR和脉冲信号的状态来安排气动机械手的动作顺序。在PLC I/O口分配方面，主要依据该系统输出与输入的数量特征。决定将控制器选择为西门子S7-200系列PLC。该气动搬运机械手控制系统的I/O口分配情况如表1所示。

2、气动机械手控制系统的软件设计

在本文中的机械手软件设计过程中，步进电机的控制是比较复杂的难点。对于步进电机控制系统而言，其驱动器的方向信号DIR和脉冲信号PLU是由Q0.1和Q0.0分别提供的。利用程序对步进电机的旋转方向和脉冲数目进行相应设置后，基本上可以保障机械手向左、向右旋转的准确度。结合步进电机的动作特征，应用S7-200PLC的脉冲指令PLS来保证步进电机的定位。其中，高速脉冲指令包括宽度可变脉冲PWM和高速脉冲PTO這两种类型。由于PTO方式能够有效控制脉冲数量和周期，所以被该系统采纳。步进电机一旦在启动瞬间发生高频脉冲增加的情况，会导致电机出现失步等故障。为此，步进电机在进行启动、运行、停止、高速运行、减速等阶段时，可以在PTO指令过程中运用多管线控制手段。

结论

本文进行基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制系统的设计，通过相关实验，证明了该机械手控制方便、定位精确，可以长期稳定的运行。在实际生产过程中可以结合需要来调整机械手动作流程，提高其适应性。

参考文献

[1]何献忠.可编程控制器应用技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]杨后川，杨萍，陈勇，张学明.基于FX_2N PLC控制的实验用气动机械手设计[J].液压与气动，2011（2）.