基于PLC与步进电机的气动手搬运机械手控制

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

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PLCI/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.

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这两种类型.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.