PLC的气动机械手控制系统设计

如今，气动技术在工业生产当中的应用愈发广泛，基于气动技术设计而成的机械手设备，由于其本身具有成本低、性能高等优点，成为工业生产企业较为常用的工具，也逐渐受到各个企业的重视。相比基于其他控制方式设计而成的机械手而言，气动机械手设备具有成本低、结构简易、环保以及抗干扰力强等优势。PLC技术的加入，使得气动机械手的优势更为明显，且气动机械手的使用与控制方式变得更为灵活与方便，促进了气动机械手的发展。
1、机械手技术简介
机械手是设计人员将真人手部能完成的动作为模仿对象设计而成的机械设备。机械手能够依照使用者编入的程序或下达的指令，沿固定的轨迹完成自动抓、取以及搬运等动作，为使用人员提供便利。
如今机械手在工业生产中的广泛应用也促进了机械手发展，机械手的智能化水平得到大幅提升。目前，我国大部分工业生产中所使用的机械手，其大部分都拥有自动化装置，尤其将机—电—液—气相结合的自动化装置更容易受到工业生产企业的喜爱。如今，机械手技术的应用范围不断扩大，已经开始向非制造业延伸，如采矿机器人、建筑机器人，越来越多的高科技技术开始添加至机械手之上，使机械手的更加完善，对人类发展具有积极意义。
2、机械手的基本形式
2.1 直角坐标式机械手
注塑形直角坐标式机械手是目前较为有代表性的机械手之一。其以空间直角坐标系OXYZ为设计基础，能够使机械手按一定顺序沿着空间直角坐标系的三个轴进行往返运动，使得机械手获得六个自动度的运行，往往应用于工作目标排列整齐，且工作位置排列成行的工作当中。部分工业制造企业也将直角坐标式机械手安置于传送带上，使两者相互配合使用。
直角坐标式机械手应用范围较广，且其本身便具备一定的优势，如CF75—10—c—p—fo型机械手。直角坐标式机械手具有以下特点：其一，生产量较高且频率较快，可以达到企业对机
械手速度方面的要求。其二，与生产流水线中的传送带配合较为默契，也能与加工装配机械进行配合。其三，能够完成工序繁琐的工作，如装箱，使用人员也能够轻易的变更定位。其四，定位精度较高，使用人员输入坐标之后，机械手便会自动工作，且定位精度不受物品载重的变化而发生改变。但直角坐标式机械手也存在一定缺点，即其作业范围较小，只能完成固定区域内的工作。
2.2 圆柱坐标式机械手
物料分拣机械手是立体仓库物料传送系统的重要组成部分，而大部分企业都选用圆柱坐标式机械手作为物料分拣机械手。圆柱坐标式机械手能够使气缸进行水平伸缩，同时也可以令气缸进行上下垂直运动，同时要求机械手能够左右旋转，并抓紧目标物料。企业往往使用圆柱坐标式机械手进行测量与搬运工作。
圆柱坐标式机械手具备许多优点：结构较为简易、占地面积小，工作范围广等。若设计人员将活动套筒安装于垂直导柱之上，机械手还可以实现在上下垂与水平面运动过程中，完成带有弧度的左右摆动的动作。
2.3 球坐标式机械手
以车桥附件焊接系统机器人，其不仅能够沿一个方向做直线运动，还可以以两个坐标轴为圆周进行旋转。球坐标式机械手拥有的自由度较大，在工业制造中的应用也较为频繁。球坐标式机械手能够完成如下动作：旋转、伸缩、弯曲、摆动等，对工业制造的发展具有积极意义。球坐标式的基本构造是将机械手安装于枢轴之上，之后将枢轴安装于叉形夹之上，以便机械手能够于垂直平面之内实现圆弧状上下运动，工作范围与工作效果几乎与人类相同。球坐标式机械手工作范围广、工作效率高，对我国工业制造企业的发展具有积极意义。
3、PLC控制系统设计方法
3.1 PLC程序设计算法分析
任何能够解决问题的方案都有对应算法，算法是解决问题时思路的反映。通常有以下两种算法：
第一，分治法。设计人员可以使用分治法以达到各功能模块实现的目的。设计人员在实施小功能模块区分作业时，应以气动机械手的实际工作顺序作为参照。自机械手初始状态起，依照具体的施工过程设计机械手具体的工作流程，其他模块中机械手所执行的动作，设计人员可使用步进指令将其转化为梯形式程序图，以便达到全面控制的目的。
第二，贪婪法。贪婪法的整体思路是设计人员最大程度的将与控制条件相符的全部状况纳入设计顾虑范围之内，并在所有情况中挑选一个利于解决问题的办法。设计人员在设计过程中会发现，与设计需求相符的算法多种多样，设计人员可使用SET、RST指令完成控制功能的设计。
3.2 气动机械手控制系统的软件设计
顺序功能图，也可称其为SFC图，其设计是气动机械手控制系统软件设计的重要步骤之一。通常情况下，机械手必须依照固定的顺序完成动作，才能够保证工业制造工作顺利完成，此时便需要设计人员设计顺序功能图。顺序功能图能够保证机械手可以按照预定顺序逐步完成动作，从而达成任务目标。该方法较为简易，易于初学人员掌握，同时对加快机械手的设计进度具有积极意义，频繁在控制系统设计过程中使用。顺序功能图中含有共用以及专用的编程元件，设计顺序功能图已然是我国目前设计PLC程序的主要方式。设任务要求为：设定机械手右上方、缩回位置作为原点位置，机械手必须完成如下动作：第一，摆动缸往左侧摆动，水平气缸向外探出，之后垂直气缸向外探出，引导机械手抓牢目标。第二，水平气缸向内缩回，之后垂直气缸向内缩回，同时摆动缸往右侧摆动，松开目标。第三，重复上两步动作。
设计人员在设计过程中，还需注意机械手在施工过程中容易出现以下状况：如启动设备出现问题，或是企业发生停电现象。此时施工人员便需使用手动方式实施作业。因此，设计人员需在机械手设计当中设计机械手手动控制方式。当施工人员选择使用手动方式操作机械手时，需闭合与X22相应的开关，执行水平探出动作，传感器开始进行检测。当机械手完全进入手动操作模式之后，会向施工人员发出提示信号。此时，X1显示为ON，不会探出。其他机械手的工作顺序与上述基本相同，机械手需完成水平收缩、垂直探出等一系列动作。
设计人员还需编制气动机械手总体SFC图。X11、12、13、14、15、16等开关中只能存在一个开关为ON状态，不得同时存在多个开关同时开启的现象。设计人员需在系统中安装转换用开关，确保机械手不会存在多种控制方式并存的现象，以免机械手出现故障，甚至影响周围工作人员的安全。设计人员可将X10作为用以自由切换自动与手动的开关，当X10处于ON状态，则机械手为手动操作模式，反之则为自动操作模式。气动机械手系统当中的PLC程序总体SFC机构。
PLC控制系统梯形图程序也是气动机械设计的重要环节之一。梯形图的的基本设计方法如下：当用以选择的开关X10不等于1时，机械手变换为手动操作模式，反之，则机械手变换为自动操作模式。模式之间的变化，设计人员可以通过控制质量CJ完成，实现程序结构图的建立。梯形图存在多种编写形式，设计人员可利用“启动—保持—停止”的方式进行设计。即当机械手按照预定条件启动，之后自动锁定进行动作保持，当机械手进入下一状态，便会及时断开与上一个状态的连接，设计人员也能使用SET、RST完成PLC控制系统梯形图的设计。
如今，工业生产设备逐渐向自动化发展，气动机械手发展对我国工业制造具有积极意义。我国应推广机械手在工业制造中的应用，以便提高我国工业制造的精度，也减少其中的危险，促进我国工业制造行业的发展。