基于PLC控制的气动机械手系统
基于PLC控制的气动机械手系统
广东省湛江市技师学院（524037） 李太胜
【摘要】 本文系统介绍了工业机械手的功能、结构特点与应用优势。并系统阐述了气动机械手的的气路控制系统的设计与电气控制系统原理图的设计。重点介绍了应用于轻工业场合的气动机械手控制程序设计理念及流程，编制出了具体的控制程序，并在真实应用环境验证通过，具有较强的实用性。
【关键词】气动机械手 自由度 流程图 梯形图程序
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代
化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。??
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。??
而气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
本文所介绍的气动机械手，其动力源为压缩空气，既可循环使用，又无污染，因此在轻工业生产中得以推广普及。
该机械手的具体结构如图eq \o\ac(○,1)所示，它具有四个自由度，分别可以做左右、上下、抓放、前后的往返运动，以实现将物料从料仓搬运至加工流水线上。
从图eq \o\ac(○,1)不难看出，该机械手分别是由旋转气缸1来实现机械手的左右旋转运动；气爪气缸3实现对物料的抓放；提升气缸5实现机械手的上下运动；而伸缩气缸8则用于实现机械手的前后伸缩运动。各气缸的运动均有各种限位开关（磁性开关和电感式传感器）来检测并限制其行程范围。真个机械手安装固定于安装支架之上。
图eq \o\ac(○,1) 四自由度机械手结构图
各气缸的换向由电磁换向阀来改变气缸中压缩气体的流向以实现气缸的往返运动。其气动系统图如图eq \o\ac(○,2)所示。
图eq \o\ac(○,2) 机械手气动系统图
该气动机械手的控制要求如下：
要求将位置A处的工件搬运到位置B进行下一工序的加工。机械手在启动前或正常停止后均应停留在原位，也就是初始位置。机械手的初始位置规定为：机械手的悬臂气缸停留在左限位，悬臂气缸和手臂气缸活塞杆均缩回，气爪出于松开状态。
当接通机械手工作电源，按下启动按钮SB1，机械手将按以下动作顺序搬运工件：悬臂气缸活塞杆伸出→伸出至前限位→传感器接到信号后手臂气缸活塞杆伸出→伸出到下限位后延时0.5s气爪夹紧→再延时0.5s→手臂气缸的活塞杆缩回→缩回到上限位传感器接到信号后悬臂气缸活塞杆缩回→缩回到后限位传感器接到信号后旋转气缸驱动机械手右转→右转到右限位传感器接到信号后悬臂气缸活塞杆伸出→伸出到前限位传感器接到信号后手臂气缸活塞杆伸出→伸出到下限位后延时0.5s气爪松开→机械手手臂的活塞杆缩回→缩回到上限位传感器接收到信号后悬臂气缸活塞杆缩回→缩回到后限位传感器接收到信号后旋转气缸驱动机械手左转→返回到初始位置，机械手完成搬运工作的一个循环。
未按下停止按钮SB2，机械手将按照上述动作流程连续自动搬运工件；如果按下停止按钮SB2，机械手必须在完成当前工件的搬运后，才能停止并回到初始位置。
根据上述控制要求，这里我们使用四个二位五通双控电磁阀来分别驱动机械手的四个气缸，确定PLC的输入/输出元件地址分配如表eq \o\ac(○,1)所示。
表eq \o\ac(○,1) 机械手PLC输入/输出元件地址分配表
根据上述PLC输入/输出元器件地址分配表，绘出的控制系统电气原理图如图eq \o\ac(○,3)所示。
图eq \o\ac(○,3) 机械手电气控制原理图
根据控制要求设计出机械手的控制流程图如图eq \o\ac(○,4)所示：
图eq \o\ac(○,4) 机械手的控制流程图
根据上述控制流程图设计出满足前述控制要求的梯形图控制程序如图eq \o\ac(○,5)所示（编程环境为GX Developer8.36版本）。
图eq \o\ac(○,5) 机械手运行梯形图控制程序
【参考文献】
张庆方，肖功明 可编程控制器技术及应用. 北京：电子工业出版社，2009
徐荣华，吕桃 可编程控制器PLC应用技术（三菱机型）. 北京：电子工业出版社，2012
刘晓芬 机械基础（多学时） 北京：电子工业出版社，2012
初航 三菱FX系列PLC编程及应用 北京：电子工业出版社，2011
【作者简历】：李太胜 1975年出生，本科学历，电气讲师、维修电工技师。主要研究自动化控制技术及技工教育。
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