摘 要： 為了降低氣動機械手系統的開發成本，介紹了基于PLC控制的氣動機械手系統中PLC的選擇、PLC與器件的邏輯電路連接、I/O的分配及氣動機械手系統的氣動原理和工作原理等。與同類系統相比，節省了大量的電氣元件，大大降低了開發成本。
??? 關鍵詞： 機械手；氣動；可編程控制器；自動控制
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?? 在工業生產中，利用氣動機械手將工件從一條生產線搬運到另一條生產線是一種高效的工作方式[1]。氣動機械手具有氣源使用方便﹑不污染環境﹑動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適于在惡劣環境下工作等特點，因而在流水線自動化生產作業、沖壓加工、機床下料、注塑、儀表及輕工業等行業中有著廣闊的應用前景。隨著工業自動化程度的提高，工業現場很多重體力勞動及重復性較強的工作必將由機器代替，一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面還可以大大提高生產效率[2]。例如，在我國的許多中小型汽車行業中，沖壓成形這一工序還需要人工搬運沉重的工件，既費時費力，又影響效率。為此，本文研制了一套氣動機械手模擬裝置。該機械手的結構、原理及功能與實際的機械手完全一致。
1 氣動機械手的結構與工作過程
??? 該氣動機械手主要是由擺動氣缸﹑擺臂﹑傳感器﹑真空吸盤﹑支架﹑底座等部分組成。其操作目標是將被加工對象從左操作臺B搬運到右生產線C上[3]，如圖1所示。
??? 假設機械手處于原始位置A點，要把B點處工件搬運到C點處的流水生產線上，該機械手的操作方式分為連續自動和單步手動2種工作方式。在連續工作方式下，機械手的具體工作流程如下：按下START按鈕→機械手復位( 即圖1的A位)→擺臂左擺→擺臂左擺到位信號→機械手吸料→擺臂右擺→擺臂右擺到位信號→機械手松開，將工件放到C處的流水生產線上。至此機械手的一個循環過程已經完成[4]。機械手可反復不斷地進行上述循環。在單步手動工作方式下，每按一下START按鈕，機械手將按程序執行1步相應的動作，實現左擺臂﹑右擺臂﹑吸料﹑放料等點動作。在動作過程中，操作員可以隨時按下STOP按鈕，終止機械手的操作運行。要實現上述的操作功能，該氣動機械手控制系統應包括氣動控制和PLC控制2個部分。其主要組成元件有：1個集成了2個雙電控電磁閥和1個單電控電磁閥的緊湊型帶獨立插座的閥島、1個氣缸(擺動氣缸)﹑1個真空吸盤﹑1個直流繼電器﹑PLC﹑傳感器和2個具有8個輸入﹑8個輸出的I/O接線端子等元件。
2?系統的氣動原理
氣動原理圖[5]如圖2所示。
??? 該系統的整個氣動系統就是對擺動氣缸及真空吸盤的動作進行控制。真空系統的工作原理是利用負壓原理來吸附工件的。如圖3所示，壓縮空氣流入真空發生器的A位，狹窄的噴嘴B使氣流以超音速噴出，當氣流離開噴嘴時，氣體迅速膨脹，并且從第二個噴嘴噴出，進入消音器C，這就導致了在噴嘴B膛內產生低壓，從而導致D口的內外產生了壓力差，工件就被空氣壓在如圖1所示的吸盤2上，從而吸起工件。圖2中7為壓力表，其值是根據工件重量不同而變化的，當氣壓達到預先設定值時，吸盤吸氣輸入信號為ON。氣源出來的氣體進入到由1個2位二通電磁換向閥﹑溢流閥﹑1個2位四通電磁換向閥組成的閥島，然后經2位四通電磁換向閥來驅動氣缸內的活塞運行[5]。
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3?PLC的選擇
3.1?確定所需要的I/O點個數
??? 根據上述要求，PLC需要以下輸入信號： 3個用來檢測機械手運動狀態的傳感器信號，分別用來檢測機械手擺臂擺動的極限和吸盤的吸氣放氣狀態；1個工件松放到位與否傳感器信號；根據系統的控制要求，需要START(啟動)﹑RESET(復位)和STOP(停止)3個按鈕信號以及1個直流繼電器信號；1個用來控制機械手運行方式的AUTO/MAN(自動/手動)開關信號[2]。
??? PLC需要以下輸出信號：用來驅動氣缸以及真空吸盤吸氣﹑放氣的電磁閥需要4個輸出信號，2個用來顯示工作狀態(START、RESET指示燈)的信號，分別用來指示START、RESET按鈕的工作狀態。
根據上述要求，應選用輸入點的個數≥9﹑輸出點的個數≥6的PLC。
3.2?程序存儲器容量的選擇
由系統的控制要求及上述分析可知，該系統不需要模擬量變換及存儲，僅需要15個開關量控制，因此可以估算：存儲器字節數≥開關量I/O總數×8=15×8=120字節。
3.3? PLC型號的選擇
由計算及分析可知，此系統對PLC的掃描速度及其他方面無特殊要求，僅對要選擇的PLC輸入點的個數(≥9)、輸出點的個數(≥6)、存儲器字數(≥120字節)提出要求。為此，選用S7-300型號的PLC(CPU315-2DP)及SM323數字量I/O模塊2個(它共有16個輸入﹑輸出點)，隨機存儲器容量為48 KB，計數器64個，定時器128個。其結構緊湊﹑體積小，處理數據和通信能力強﹑功能指令豐富﹑直觀，并且具有PROFIBUS-DP、MPI通信接口，易于構成現場總線系統和實現多級網絡控制[2]。I/O接點的分配如表1所示，PLC與器件的邏輯線路圖如圖4所示。
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4? 系統的工作原理
該系統的工作原理如圖5所示。系統中的2個限位行程開關、1個真空檢測傳感器及控制面板上的4個顯示信號(START按鈕﹑RESET按鈕﹑AUTO/MAN開關﹑STOP按鈕)作為輸入信號，由接線端子經標準數據線傳輸送至PLC。處理器(CPU)掃描輸入映像寄存器，根據系統程序的控制要求執行相應的邏輯運算，執行結果寫入到輸出映像寄存器，然后再經標準數據線及接線端子傳輸線送至如圖2所示的閥島，換向閥電磁鐵得電接通，打開相應的通路，驅動對應氣缸內的活塞運行[2]。
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CPU系統的控制面板安裝在操控臺上，24 V直流電源、S7-300PLC、直流繼電器、真空發生器等元件均放置在電控箱內。直流繼電器的作用是當系統發生緊急事故時，可立即切斷PLC模塊的輸出電源進而切斷整個輸出信號，使系統停止工作。本系統的控制信號采用I/O接線端子的標準數據線進行傳輸，不僅便于系統布線和檢修，而且系統結構緊湊，更便于對系統進行遠程控制。
5 軟件設計
??? STEP7軟件功能強大，可以實現在線編程﹑在線診斷，支持梯形圖(LAD)﹑語句表(STL)﹑功能塊圖(FBD)等語言編程，用戶可以根據自己的需要進行選擇。此外，該軟件還具有友好的用戶界面[6]。本文采用梯形圖(LAD)編程，編程時應注意氣動機械手的各個輸出狀態一定要與各個輸入器件的狀態對應起來，并且要考慮到系統的具體控制要求。如為了保證系統的安全性，編程時設置一些聯鎖和互鎖是必須的。例如，擺臂左擺與右擺之間要防止2個順序相反的操作同時發生。機械手擺動的部分梯形圖程序如圖6所示，機械手在一個循環周期內的擺動有左擺和右擺2個動作，在這2個狀態下，要考慮它們的輸出及與輸出有關的各個輸入元件的狀態。
??? 自動與手動2種工作方式僅需要在手動工作方式前加一個自動工作的開關即可實現。當程序完成后，利用專用的PC適配器將程序從計算機的RS-232串行口下載到PLC的MPI接口[2]。
該控制系統采用了PLC的編程控制，與同類系統相比節省了大量的電氣元件，大大降低了開發成本。此外，系統由于采用了軟件編程，其動作操作可根據現場實際情況進行移動調試[2]。該氣動機械手經在模擬試驗臺上安裝﹑調試后運行穩定。系統簡單實用、安全可靠、操作性強、外形尺寸小。其結構﹑原理﹑功能均能服務于實際生產。
參考文獻
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[2] 張州，劉廣瑞，杜大軍.基于PLC控制的氣動機械手系統[J].機電產品開發與應用，2004(3)：25.
[3] SMC(中國)有限公司.現代實用氣動技術[M].北京：機械工業出版社，1998：128.
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[5] 朱懷忠,王恩海.液壓與氣動技術[M].北京：科學出版社,20007：156.
[6] 廖常處.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2002：105.