基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡愛(ài)民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 江蘇 鹽城 224000）

基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡愛(ài)民

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 江蘇 鹽城 224000）

作為一種能夠進(jìn)行自動(dòng)定位的控制設(shè)備，機(jī)械手能夠依靠編程的方式成為一項(xiàng)極具實(shí)用性的多用設(shè)備。它在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中占據(jù)著重要的位置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)和傳感技術(shù)的進(jìn)步，研究領(lǐng)域?qū)`敏、廉價(jià)以及經(jīng)濟(jì)的氣動(dòng)技術(shù)研究越來(lái)越關(guān)注。本文針對(duì)機(jī)械手各功能實(shí)現(xiàn)形式和控制方式進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了SFC機(jī)械手控制系統(tǒng)圖、指令表以及梯形圖等程序，該研究成果為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供工程實(shí)踐技術(shù)和理論參考。

PLC控制；氣動(dòng)機(jī)械手；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；智能應(yīng)用

自從PC機(jī)在上世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)，極大的的促進(jìn)了工業(yè)控制軟件的發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了大量的新興控制軟件，包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、PC控制系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)等。我國(guó)也研發(fā)了大量具有自主產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)軟件設(shè)備，包括過(guò)程優(yōu)化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等等。通過(guò)這些軟件系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，有效的提高了國(guó)內(nèi)工業(yè)控制和化工控制的經(jīng)濟(jì)效益。在自動(dòng)控制技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程中，現(xiàn)代化程度要求越來(lái)越高的技術(shù)指標(biāo)，自動(dòng)控制領(lǐng)域開(kāi)始越來(lái)越重視以氣、液和機(jī)電一體的控制裝置。我們此次研究的氣動(dòng)控制機(jī)械手就是一個(gè)充分結(jié)合了電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

1 PLC程序設(shè)計(jì)算法分析

本次編程過(guò)程中的具體要求是要能根據(jù)具體要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制功能。假定初始位置為原點(diǎn)；松開(kāi)、后退以及后邊狀態(tài)為初始設(shè)置；可以進(jìn)行手動(dòng)操作和自動(dòng)操作。

（1）遞推法。我們從該方法的名字中能夠想到該方法就是借助于邏輯關(guān)系進(jìn)行層層遞推的過(guò)程。在進(jìn)行此次設(shè)計(jì)的過(guò)程中先是對(duì)控制系統(tǒng)中機(jī)械手的工作順序進(jìn)行標(biāo)注，并對(duì)各個(gè)執(zhí)行狀態(tài)和動(dòng)作之間的關(guān)系進(jìn)行理清，之后依靠遞推關(guān)系將機(jī)械手的工作流程以邏輯圖的形式設(shè)計(jì)出來(lái)。關(guān)系邏輯對(duì)于程序設(shè)計(jì)具有一定的限制作用，針對(duì)這種情況我們需要對(duì)系統(tǒng)加入程序之后的功能實(shí)現(xiàn)以及條件限制進(jìn)行反復(fù)推敲。

（2）回溯法。使用回溯法也是進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方法，下面具體介紹了設(shè)計(jì)思路：在分析過(guò)程中針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行，并繪制相應(yīng)的流程圖，這樣一來(lái)思路一旦發(fā)生錯(cuò)誤就無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大的解決效果。最后再重新回到初始，重新開(kāi)始設(shè)計(jì)。需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題：設(shè)計(jì)過(guò)程中返回到何處。

（3）分治法。利用分治法在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行

模塊化設(shè)計(jì)。主要方法是：先根據(jù)工作順序要求機(jī)械手完成相應(yīng)的功能模塊。其次，可以實(shí)現(xiàn)左伸-右縮、下伸-上縮、水平伸縮回等，這些小的模塊設(shè)計(jì)中標(biāo)記為狀態(tài)符號(hào)。最后，通過(guò)使用梯形圖代替步進(jìn)指令的方法，并結(jié)合具體動(dòng)作情況完成整個(gè)控制功能的實(shí)現(xiàn)。

（4）貪婪法。在范圍內(nèi)將所有和條件吻合的情況進(jìn)行最大化考慮，任意從中選取一個(gè)解決方法的方式就是貪婪法。此次設(shè)計(jì)根據(jù)基本思維符合設(shè)計(jì)要求的思路進(jìn)行選取，所以在執(zhí)行過(guò)程中需要對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行一起一停的操作方式，另外將限制條件加入線(xiàn)圈內(nèi)，利用基本控制程序?qū)崿F(xiàn)具體的控制操作。還有一種方法就是使用 RST和SET指令來(lái)完成整個(gè)控制過(guò)程。這里常用到的控制方法包括使用提醒程序圖代替后續(xù)設(shè)計(jì)圖，在過(guò)程中把所有出現(xiàn)的動(dòng)作當(dāng)成狀態(tài)。

2 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 順序功能圖

通常情況下我們主要將順序功能圖應(yīng)用在執(zhí)行過(guò)程按照先后次序，應(yīng)用的對(duì)象是設(shè)計(jì)動(dòng)作來(lái)完成生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行時(shí)控制系統(tǒng)，按照規(guī)定的路線(xiàn)step-step對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。不僅對(duì)初學(xué)者而言，該控制方法簡(jiǎn)單易學(xué)，而且也能有效的提高高級(jí)工程人員的設(shè)計(jì)效率。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中經(jīng)常需要運(yùn)用該設(shè)計(jì)方法。該SFC圖設(shè)計(jì)過(guò)程中提供了通、專(zhuān)兩用的設(shè)計(jì)元件，是為編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供輔助的功能圖。在當(dāng)下進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中大量應(yīng)用該功能圖。

根據(jù)具體的控制任務(wù)，設(shè)計(jì)過(guò)程從原點(diǎn)左側(cè)到右側(cè)依次執(zhí)行動(dòng)作任務(wù)，根據(jù)功能圖依次進(jìn)行左擺擺動(dòng)缸，伸出垂直氣缸，工件吸持，退回垂直氣缸，退回水平氣缸，右擺擺動(dòng)缸，伸出水平氣缸，伸出垂直氣缸，工件放松，退回垂直氣缸，退回水平氣缸，回歸原位。

圖1 氣動(dòng)機(jī)械手手動(dòng)流程圖

一旦有故障在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)，比如停電、執(zhí)行錯(cuò)誤等意外情況，就要轉(zhuǎn)換為手動(dòng)控制方式，所以需要進(jìn)行手動(dòng)控制設(shè)置，圖1展示了具體的操作流程。在切換為手動(dòng)操作以后，X22開(kāi)關(guān)會(huì)進(jìn)行閉合，并進(jìn)行水平伸出操作。當(dāng)傳感器完成檢測(cè)任務(wù)以后會(huì)將控制指令直接發(fā)出，此時(shí)開(kāi)啟的X1不再伸出。其他工作任務(wù)類(lèi)似于該工作過(guò)程，工作過(guò)程大致為水平縮回，垂直伸出，向右擺出，垂直縮回，氣爪抓緊，向左擺回，氣爪松開(kāi)。

2.2 氣動(dòng)機(jī)械手總體SFC圖

當(dāng)X11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 20, 21, 22, 23同時(shí)存在并且處于開(kāi)啟狀態(tài)的只有一個(gè)的時(shí)候，此時(shí)就要用到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的目的就是為了實(shí)現(xiàn)單一性的控制方式。通過(guò)這種方式能夠有效的降低危險(xiǎn)以及錯(cuò)誤發(fā)生的概率。自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)X10處于開(kāi)啟狀態(tài)的時(shí)候，系統(tǒng)處于手動(dòng)控制狀態(tài)，當(dāng)X10為關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)候，此時(shí)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)。圖2具體展示了機(jī)械手自動(dòng)控制程序的大體構(gòu)成。方式開(kāi)關(guān)是決定系統(tǒng)原始狀態(tài)是自動(dòng)還是手動(dòng)控制的關(guān)鍵。如果我們切換為自動(dòng)控制以后，機(jī)械手并沒(méi)有回到初始位置，我們就要進(jìn)行以下操作：通過(guò)手動(dòng)方式將機(jī)械手回歸原位，然后在開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)控制系統(tǒng)完成一個(gè)控制周期以后，工作選擇開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)全自動(dòng)還是單周期自動(dòng)操作進(jìn)行選擇。

圖2

3 PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序

通過(guò)圖3我們可以看到梯形圖的總體設(shè)計(jì)路線(xiàn)如下：當(dāng)X10開(kāi)關(guān)處于1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)操作; 當(dāng)X10處于0時(shí)，系統(tǒng)選擇進(jìn)行自動(dòng)操作。利用指令CJ可以對(duì)該設(shè)計(jì)過(guò)程種的控制方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而完成圖4當(dāng)中的程序結(jié)構(gòu)。另外，編制梯形圖的方法具有多樣性，如起-保-停過(guò)程。所以，我們也可以根據(jù)具體條件先進(jìn)行啟動(dòng)，然后保持的操作，當(dāng)開(kāi)始出現(xiàn)下一個(gè)操作的時(shí)候立刻終止上一個(gè)動(dòng)作，可以通過(guò)RET和SET來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；STL就是一個(gè)典型的步進(jìn)梯形圖。

3.1 手動(dòng)梯形圖程序

手動(dòng)操作過(guò)程就需要使用手動(dòng)梯形程序，它的工作狀態(tài)是當(dāng)單獨(dú)使用按鈕進(jìn)行位移時(shí)來(lái)完成對(duì)機(jī)械手的調(diào)整過(guò)程。如果一開(kāi)始機(jī)械手并不在初始位置，則可以使用手動(dòng)方式將機(jī)械手回歸原位。我們選擇作為端點(diǎn)進(jìn)行輸入端操作，這個(gè)時(shí)候就需要使用手動(dòng)工作。分別用到對(duì)應(yīng)的一系列控制按鈕進(jìn)行手動(dòng)操作機(jī)械手的執(zhí)行。圖4具體展示了手動(dòng)操作程序。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)的時(shí)候就能夠讓機(jī)械手松開(kāi)所抓物體。

如果操作過(guò)程中需要通過(guò)手動(dòng)方式將機(jī)械手回歸到初始位置，就需要使用將閉合實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的夾緊，使用縮回水平伸縮缸縮；想要夾緊氣爪缸需要閉合開(kāi)關(guān)。還有為時(shí)，水平缸表現(xiàn)為水平伸出的狀態(tài)；為時(shí)，水平缸表現(xiàn)為水平縮回的狀態(tài)。

3.2 自動(dòng)梯形圖程序

控制程序是自動(dòng)梯形圖的主要組成，通常分為單步形式、連續(xù)形式和周期形式。以上三種形式的主要區(qū)別在于是允許轉(zhuǎn)換標(biāo)志還是連續(xù)標(biāo)志。非單步和單步的主要區(qū)別在于：當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行周期性或者連續(xù)性工作的時(shí)候，的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，對(duì)步與步轉(zhuǎn)換方式的允許。

4 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，本文以機(jī)械手為對(duì)象，詳細(xì)介紹了機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的4種算法，并闡述了基于可編程控制器PLC氣動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)。

[1]林明星.電氣控制及可編程序控制器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]李青虹.基于PLC的注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(4):23-25.

TP241

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