气动机械手控制系统的设计

机电技术 2011年4月

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作者简介：宋志峰(1981- )，男，机械工程硕士，主要从事机械自动化控制的教学与科研工作。

气动机械手控制系统的设计

宋志峰

（濮阳职业技术学院，河南 濮阳 457000）

摘 要：气动机械手具有成本低廉、结构简单、抗干扰性强等特点，已经应用于各种生产行业中。本文介绍了气动机械手工作原理以及外部接线，重点介绍了气动机械手的气动装置和PLC 控制系统的设计。

关键词：PLC ；气动；机械手；控制

中图分类号：TP241.2 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2011)02-120-02

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高科技技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，这就更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

PLC 在工业生产过程自动控制领域得到了广泛的应用，具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用等优点；气动技术中的压力介质来自于空气，环境污染小，容易实现控制工程，是实现自动化控制的重要手段之一，尤其在非污染行业占有重要的地位。本文阐述了气动机械手气动装置和PLC 控制系统的相关设计。

1 工作原理

1.1 气动机械手组成

该气动机械手由步进电机、直线导轨、气缸、传感器、定位开关、行程开关、支架、机械零部件构成；控制系统由气动装置和PLC 控制系统组成。PLC 控制系统作为主控器，来控制整个机械手的运行，控制系统采用标准模块化设计，传感器作为反馈检测元件对PLC 提供信号控制气动装置中的电磁阀，从而达到控制机械手的上升、下降、旋转等动作。气动机械手结构示意图如图1所示。

图1 气动机械手结构示意图

1.气爪；

2.气动手指；

3.带导杆气缸；

4.旋转气缸；

5.拖链；

6.直线导轨；

7.升降气缸；

8.滑板；

1.2 气动机械手工作过程

工作启动时，步进电机复位使机械手部分到达起始位置，升降气缸处于下部，手爪气缸伸出抓取物体，同时开始延时5 s ，保证手爪充分抓紧物体，延时结束后升降气缸连同物体一起上升，手爪气缸缩回；旋转气缸动作使气爪逆时针旋转90°，步进电机转动使机械手部分到达指定位置，升降气缸上升，手爪气缸伸出到位后松开物体并延时5 s ，确保物体准确放置在物料台上；延时结束后手爪气缸缩回，复位到起始位置。此为一个工作循环。

2 气动控制回路设计

气动控制回路是本工作单元的执行机构，该执行机构的逻辑控制功能是由PLC 实现的。图2表示气动控制回路的工作原理，B1、B2为安装在推料气缸的两个极限工作位置的磁性传感器；1Y1、2Y1、3Y1、4Y1、4Y2为控制气缸的电磁阀。

图2 气动控制回路原理图

气动机械手的回路设计主要由4个回路组

成，控制机械手的升降、伸缩、抓紧与放松及旋转 4个动作，分别由3个直动式气缸和1个旋转气缸组成。在气动回路设计过程中，通过三位五

第2期宋志峰：气动机械手控制系统的设计121

通的电磁换向阀控制换向，由于4个气缸先后动作，所以设计有中位。可以通过调节节流阀的节流口控制流量大小，从而控制气缸运动的速度。气动回路很容易实现自动控制，可以通过PLC来控制换向阀实现自动换向。此外，气动回路可以适应任何恶劣环境，比较容易维护，因此在自动控制中应用越来越广泛。

3 PLC控制系统的设计

在该系统中输入点数为10点，输出点数为8点，考虑到控制要求和维修方便，采用了日本三菱公司生产的F X2N—48MT型PLC作为主控器。电磁铁供电电压为DC 24V，直接与PLC输出电路连接，使系统简单可靠。输入/输出外部接线图如图3所示。

图3 PLC外部接线图

经分析知，在一个工作循环过程中升降气缸需要动四次，如果采用“经验”编程方法，程序比较复杂而且易产生障碍信号，所以本文采用状态编程法来设计PLC程序，状态编程的思想为：将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清各状态的工作细节，再根据总的控制顺序要求，将这些状态联系起来，形成状态转移图，进而编绘梯形图程序。采用这种方法，一个“状态”代表一个“工序”，程序简单直观，而且可以消除障碍信号。工作状态图如图4所示，部分程序图如图5所示。

图4 工作状态图

图5 部分程序图

4 结语

由三菱PLC控制的气动机械手装置能够实现物料的自动搬运，可以实现连续、单周期和往复运动两次三种执行方式，充分利用了PLC的人机交互性较强和程序利于编制、硬件设计简单等优点，实现生产线自动化的控制。

参考文献：

[1] 陈丽.PLC控制系统编程与实现[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[2] 郭琼.PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社,2009.

[3] 陈丽.PLC编程应用基础[M].北京：机械工业出版社,2009.

[4] 陈志权.基于PLC气动机械手的控制系统[J].兵工自动化,2008(4):83-84.

[5] 王登贵.气动机械手控制系统的设计与实现[J].自动化技术与应用,2009(8):66-68.