張保學(xué)

（甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

引言

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱PLC 技術(shù)，其所實(shí)施的功能主要在于以采集、內(nèi)部存儲(chǔ)和程序運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的結(jié)果更新對(duì)設(shè)備進(jìn)行輸出的狀態(tài)。其實(shí)在應(yīng)用該技術(shù)的過(guò)程中，需要分開(kāi)研究PLC 和PLC 控制技術(shù)，二者主要還是結(jié)合PLC 中的控制程序來(lái)自動(dòng)化控制相關(guān)的機(jī)電設(shè)備。但是目前基于現(xiàn)階段的發(fā)展來(lái)看，基于PLC 技術(shù)控制過(guò)程中，不僅輸入和輸出存在必然的聯(lián)系，就其本身的過(guò)程來(lái)講，也是結(jié)合多種程序來(lái)對(duì)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行全面輔助。

1 PLC 機(jī)電控制系統(tǒng)的原理

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)有的工廠環(huán)境中如果所使用的設(shè)備不能及時(shí)去抵抗外界的干擾，那么整個(gè)工程的設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性將會(huì)被大面積降低。而對(duì)于使用PLC 技術(shù)的相關(guān)過(guò)程而言，以專業(yè)人員的操作來(lái)充分了解PLC 機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 控制電路進(jìn)行科學(xué)調(diào)試。

一般來(lái)講，在PLC 控制系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)上，其包含CPU 模塊、輸入與輸出模塊、獨(dú)立電源、編程軟件和其他一些外在的部件等。每一個(gè)部件都存在不同的功能，在CPU 模塊的調(diào)度下來(lái)完成相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制[1]。在系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試和安裝過(guò)程中，需要在整體功能結(jié)構(gòu)上加以實(shí)施，并且先分析構(gòu)件的實(shí)際功能，隨后設(shè)計(jì)具體的分析思路，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)控制功能和工作任務(wù)來(lái)進(jìn)行解析，再結(jié)合邏輯方程和一些其他的語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)用戶程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終測(cè)試。

2 基于PLC 控制技術(shù)的機(jī)械手工藝流程

在實(shí)際機(jī)械手施工流程中，主要安裝的位置是流水線、拋光機(jī)和裝箱機(jī)等部分，進(jìn)而對(duì)這三個(gè)位置之間的構(gòu)件進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換。以現(xiàn)階段的系統(tǒng)控制方法，可以分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，其中以自動(dòng)控制為例，其具體的操作順序如表1 內(nèi)容所示。

表1 機(jī)械手自動(dòng)操控順序

本次機(jī)械手設(shè)計(jì)共分為三個(gè)軸，其中X 軸上存在X1、X2和X3三個(gè)工位；在Y 軸上存在三個(gè)工位，分別為Y1、Y2和Y3；在Z 軸上存在兩個(gè)工位，分別為Z1和Z2。在吸盤(pán)的裝置上其具有吸附和松開(kāi)兩種工作內(nèi)容。而在X 軸上的行程分析中，等于900 mm，利用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)處理；而Y 軸則采取直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，行程為600 mm。本次機(jī)械構(gòu)件所采取的是滾珠絲杠，Z 軸的行程為300 mm，采取氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)實(shí)際定義區(qū)分，可以將其分為多種形式，且在這些形式的分析中其也有著不同的種類(lèi)要求。如果根據(jù)手臂坐標(biāo)類(lèi)型來(lái)區(qū)分，可分為直角坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、關(guān)鍵坐標(biāo)式。本研究以直角坐標(biāo)式來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械手，包含導(dǎo)軌、機(jī)械手臂和機(jī)座三個(gè)自由度。其中機(jī)械手臂主要是未來(lái)完成各個(gè)工件之間的位移。且這三個(gè)自由度做直線運(yùn)動(dòng)，分別在X、Y 和Z 軸上實(shí)施運(yùn)動(dòng)，最后執(zhí)行的機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而需要執(zhí)行的部件其中包含滾珠絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等內(nèi)容。在Z 自由度上包含控制氣缸和氣動(dòng)吸盤(pán)，其中氣動(dòng)吸盤(pán)主要負(fù)責(zé)對(duì)工件的吸取和控制以及執(zhí)行。其中具體的構(gòu)造如下頁(yè)圖1 所示。

3.2 控制電路

以輸入與輸出結(jié)構(gòu)電路來(lái)連接機(jī)械手和PLC 控制系統(tǒng)，并根據(jù)電路中的輸入信號(hào)來(lái)促使PLC 可吸收和控制各種信號(hào)和數(shù)據(jù)，且PLC 也會(huì)通過(guò)輸出接口電路來(lái)對(duì)被控對(duì)象輸出處理結(jié)果，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)化控制的效果[2]。本次所采取的PLC 是三菱的FX2N-64MT系列，輸入與輸出點(diǎn)均為32 個(gè)。輸入電壓為DC24 V，電流為5 mA；輸出外部單元為DC5-30 V，最大輸出負(fù)載為0.5 A/點(diǎn)，每四個(gè)點(diǎn)不能超出0.8A。

3.3 伺服控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)主要是為了保障與控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)穩(wěn)定性所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)形式，促使該被控對(duì)象能夠自動(dòng)、精準(zhǔn)與連續(xù)復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律，因此其也被稱為“隨動(dòng)系統(tǒng)”。結(jié)合伺服系統(tǒng)的要求和具體情況，本次控制系統(tǒng)選擇交流伺服和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中硬件選擇三菱系列的PLC 和驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及編碼器等?；诒敬蝺刹侩姍C(jī)的控制要求，選擇差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式作為脈沖輸入的方式，總體框架如圖2所示。

3.4 氣動(dòng)系統(tǒng)

一般的氣動(dòng)系統(tǒng)在介質(zhì)選擇上以氣體壓縮為主，結(jié)合氣體的壓力來(lái)傳遞其系統(tǒng)動(dòng)力，或者采取信息流體傳動(dòng)技術(shù)，經(jīng)由控制閥和管道將壓縮空氣輸送到氣動(dòng)執(zhí)行元件上，以此來(lái)將氣體壓縮的壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[3]。實(shí)際過(guò)程中其包含氣壓的傳動(dòng)和氣動(dòng)控制兩個(gè)重要方向?，F(xiàn)階段理想氣體的狀態(tài)方程是氣動(dòng)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而這期間所指的理想氣體其實(shí)是指沒(méi)有任何粘性和存在一定質(zhì)量的氣體形式。在某一平衡狀態(tài)下的瞬間其可有如下的氣體方程：

式中：p 表示絕對(duì)壓力；V 為質(zhì)量體積，m3/kg；ρ 表示氣體密度；T 表示熱力學(xué)溫度，K；R 為氣體常數(shù)，J/（kg·K，其與氣體的濕度情況有關(guān)，基于氣動(dòng)系統(tǒng)方程可對(duì)氣動(dòng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4 PLC 控制的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行結(jié)果分析

結(jié)合對(duì)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)與分析，根據(jù)機(jī)械手在PLC自動(dòng)化控制下的運(yùn)行要求，本次所設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要用于吸附流水線上的各種構(gòu)件，該構(gòu)件主要是亞克力板材，質(zhì)量需要保持在10 kg 以下，隨后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與改進(jìn)后才能夠進(jìn)入到實(shí)際工作中。且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行效果顯示，機(jī)械手有著十分平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，并且其與預(yù)定的精度有著符合的趨勢(shì)。

而基于對(duì)亞克力板材的特征分析，其本身冷熱膨脹系數(shù)較大，因此需要在實(shí)際運(yùn)行中考慮到其所預(yù)留的伸縮間隙。同時(shí)環(huán)境溫度需控制在85 ℃以下。在搬運(yùn)期間使用氣動(dòng)吸盤(pán)進(jìn)行輔助，避免破壞板材的表面的保護(hù)膜和保護(hù)紙。

系統(tǒng)測(cè)試選擇手動(dòng)與氣動(dòng)兩種形式。在手動(dòng)方式下可結(jié)合相對(duì)應(yīng)的控制按鈕，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的左移、右移等動(dòng)作；在自動(dòng)運(yùn)行的方式下，能夠結(jié)合相關(guān)流程進(jìn)行動(dòng)作。

結(jié)合編寫(xiě)的控制程序來(lái)測(cè)試該系統(tǒng)，機(jī)械手可以結(jié)合要求進(jìn)行相對(duì)應(yīng)動(dòng)作的實(shí)施。在機(jī)械手運(yùn)行期間，接收到工件到位信號(hào)后橫軸運(yùn)行到X1位置，縱軸與豎軸分別都運(yùn)行到Y(jié)1和Z1的位置。隨后等到機(jī)械手回到原點(diǎn)后，再去等待下一個(gè)信號(hào)，進(jìn)而在反復(fù)的運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)流水線的工件吸附作業(yè)。

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表示，本次所設(shè)計(jì)的機(jī)械手能夠達(dá)到預(yù)期的功能要求，可結(jié)合PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的操作。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 控制技術(shù)探討機(jī)械手的相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包含硬件系統(tǒng)、控制電路、伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)，最終結(jié)合相關(guān)運(yùn)行的結(jié)果表示該機(jī)械手運(yùn)行十分平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制效果。