機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的、并廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一種新工具。在電子信息技術(shù)快速發(fā)展和廣泛應用的現(xiàn)代化社會，機器人的研制與生產(chǎn)在高新技術(shù)領(lǐng)域掀起一陣狂瀾，同時推動了機械手的發(fā)展，使機械手逐漸實現(xiàn)與機械化、自動化的有機結(jié)合。氣動技術(shù)是實現(xiàn)自動化控制的一項重要技術(shù)，它以空氣為壓力介質(zhì)，不易形成環(huán)境污染，尤其是在非污染行業(yè)中的應用廣泛，能更加便捷地實現(xiàn)自動化控制。但傳統(tǒng)的機械手操作中通常保留2～3個自由度，在一定范圍內(nèi)限制了機械的靈活度。而可編程邏輯控制器(PLC) 以其易編程、結(jié)構(gòu)簡單、性能強大、可靠性高等優(yōu)勢得到了工業(yè)生產(chǎn)自動控制領(lǐng)域的廣泛認可。因此，本文結(jié)合機械手控制存在的問題，提出一種基于PLC控制的多角度氣動機械手控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性和實用性。
1、氣動機械手結(jié)構(gòu)
機械手實際上是模擬人手動作而設計的一種機械設備，它根據(jù)使用者編入的程序或指令來實現(xiàn)固定軌跡下的自動抓取與搬運等動作，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制。結(jié)合氣動機械手及相關(guān)電子器件，本文設計的氣動機械手結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、直線導軌、行程開關(guān)、氣缸、定位開關(guān)、步進電機、支架等部件; 控制系統(tǒng)采用標準模塊化設計，主要包括氣動裝置和PLC控制系統(tǒng)。傳感器作為反饋檢測元件，對PLC提供信號控制氣動裝置中的電磁閥，PLC控制系統(tǒng)作為主控器，可實現(xiàn)對整個機械手的控制，zui終使機械手完成上升、下降、旋轉(zhuǎn)等動作。
本文設計的氣動機械手工作壓力介于0．6MPa～1．0MPa 之間。機械手借助2個直線運動與1個旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)物品的搬運任務; 轉(zhuǎn)動需在擺動臂、擺動氣缸、擺動位置微動開關(guān)、軸向止推軸承等部件的相互協(xié)作下實現(xiàn)，其工作行程為0°～180°; 升降運動則在升降氣缸、垂直導柱與導軌、滑動導柱等部件的共同作用下完成，其工作行程為0～150cm; 手部需在氣缸、彈簧的作用下完成夾持工件操作，夾持力的大小可通過彈簧預壓縮量進行調(diào)節(jié)。該機械手的主要任務是將生產(chǎn)線上的工件根據(jù)工件合格與否搬運到不同分支的流水線上。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 氣動機械手的工作過程
如圖1 所示，本文設計的機械手是將工件從A處傳遞到B 處，YV1、YV2、YV3、YV4 表示機械手執(zhí)行不同動作( 依次代表: 上升、下降、左行、右行) 的電磁閥; YV5 用于控制通電與斷電情況下對工件的夾放操作，避免通電后工件掉落情況發(fā)生。SQ1、SQ2 和SQ3、SQ4 分別為機械手工作臂上、下限位和左、右限位的位置開關(guān)。
2、氣動控制回路設計
結(jié)合回路控制方法，系統(tǒng)具體的邏輯控制如圖2所示。在該邏輯控制中采用雙向調(diào)速回路方法對系統(tǒng)進行控制。其中B1、B2為安裝在推料氣缸的兩個極限工作位置的磁性傳感器，Y1、Y2為控制氣缸的電磁閥。通過圖2 的雙向調(diào)速控制回路系統(tǒng)看出，本文所設計的氣動機械手主要包括4個回路，分別用于控制機械手的升、降、伸、縮、抓緊與放松及旋轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)氣動原理
在氣動回路設計過程中，通過PLC 來控制換向閥實現(xiàn)自動換向; 通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口流量來控制氣缸運動的速度。
3、PLC控制系統(tǒng)設計
3．1總體設計
PLC的運行是借助相關(guān)算法來實現(xiàn)物理量的輸入與輸出，以便獲得工業(yè)生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)信息，整個工作過程包括輸入處理、執(zhí)行程序和輸出處理3個階段，即一個掃描周期，掃描周期所需時間長短某種程度上決定了控制速度。
PLC開始運行之后，首先以掃描方式有序讀取全部輸入輸出數(shù)據(jù)，并將讀取到的內(nèi)容存儲到I/O對應的內(nèi)部寄存器，在用戶執(zhí)行程序時，這些輸入點在內(nèi)部寄存器內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一般是穩(wěn)定的，而其他輸出點則可能出現(xiàn)相應變化，當完成掃描工序后，PLC開始進行輸出處理，此時CPU會根據(jù)內(nèi)部寄存器內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新，并更新到與內(nèi)部寄存器對應的I/O口上，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。PLC控制系統(tǒng)總體設計方案如圖3所示。
如圖3 所示，整個控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、電磁閥、磁性開關(guān)、壓力變送器、指示燈、報警器等元器件組成。PLC控制系統(tǒng)設計中，采用主站加從站的分布式控制模式，其功能分別是實現(xiàn)從站之間的數(shù)據(jù)通信，以及對各自控制單元的控制。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，監(jiān)控中心設置上位機，在上位機上基于WinCC 開發(fā)了對控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的監(jiān)控系統(tǒng)，不同的從站點分別設置相應的觸摸屏，以達到實時監(jiān)控與顯示控制單元控制狀態(tài)的目的，機械手單元的控制系統(tǒng)選擇的是從站PLC + 觸摸屏的模式，前者可實現(xiàn)系統(tǒng)控制邏輯關(guān)系，后者則是方便
人機交互。

圖3PLC控制方案
3．2 I/O端口的分配
根據(jù)機械手的工作狀態(tài)和操作信息共需要11個輸入量、8 個輸出量，根據(jù)控制要求及端子數(shù)，本文選用西門子S7 － 200 系列的CPU226 AC /DC /RLY 型PLC，CPU226 AC /DC /RLY 具有24 點輸入、16 點輸出，I /O 點數(shù)共計40 點，它可以有7 個擴展模塊，zui大可擴展248 點的輸入/輸出。X0～X7 分別代表手動、回原點、單步、運行、單周期、連續(xù)、啟動、停止等8 個按鈕; X20 ～ X27 分別代表左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個按鈕; Y1 ～ Y7 分別代表左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、伸出、縮回、提升、下降、夾緊、松開等8 個輸出功能。
3．3 控制程序設計
控制程序作為PLC 控制的核心，其程序設計的關(guān)鍵將直接決定系統(tǒng)運行的好壞。本文采用模塊化設計思想，即“化整為零”的方法，將機械手整個的控制程序分為公用程序、手動程序和自動程序3 大段，機械手運行時首先會執(zhí)行公用程序，然后當選擇手動工作方式(手動或單步)時，X0 或X2 會接通并跳至手動程序; 當選擇自動工作方式( 單周期或連續(xù)) 時，X0 或X2 斷開，而X3 或X4 會接通并跳至自動程序。
3．4 PLC 通訊實現(xiàn)
通訊是控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文對通訊系統(tǒng)的設計采用S7 － 200，同時通訊驅(qū)動程序選擇“STIMATIC S7－ 200”。對系統(tǒng)的通訊來講，其中觸摸屏和PLC 的通訊通常包括MPI、DP 和以太網(wǎng)三種方式實現(xiàn)，而觸摸屏接口可選擇IFBI 接口和以太網(wǎng)接口，其中MPI、DP 通訊均通過IFBI 接口，而以太網(wǎng)通訊則通過以太網(wǎng)接口。本文結(jié)合上述的特點，選擇IFBI 通訊接口，再選擇MPI 通訊方式，PC 機、觸摸屏、PLC 與zui高站的地址分別設置為0，1，2，3，PLC 的插槽與機架要和PLC 的硬件安裝相對應。
本文結(jié)合機械手的相關(guān)原理和PLC 開發(fā)技術(shù)，設計了基于PLC 的機械手控制系統(tǒng)，并從機械手結(jié)構(gòu)、啟動控制回路、PLC 控制設計等方面對系統(tǒng)進行了詳細的設計，從而實現(xiàn)了手動/自動的多角度機械手運動控制，提高機械手控制精度，增強系統(tǒng)的實用性，為當前機械手控制系統(tǒng)設計提供參考。