论PLC在机械手控制中的应用

2022-09-12

机械手综合了人类和机械的优点, 可以取代人类完成一些比较繁重的劳动, 同时可以代替人类在一些比较恶劣的环境中进行工作, 因此, 它被广泛应用到各种工业生产的过程中。PLC技术的应用可以提升机械手的操作精确度、灵敏度, 而且还能减小机械手的体积以及降低操作安全风险, 因此PLC在机械手控制系统中有着非常重要的作用。

一、机械手控制系统

机械手主要由机械手夹紧结构、控制系统等部分构成。机械手控制系统主要是为了实现对机械手工作程序、动作位置和时间、速度等的控制。机械手想要实现对其各项功能的控制一般需要采用必要的控制元件才能完成, 其中PLC控制模块是比较常用的一种, 它可以通过程序编写的方式来实现机械手的各项动作要求。目前工业中所使用的机械手通常包含6个自由度, 所谓6个自由度就是指机械手由6个独立的驱动关节结构组成, 它可以使机械手实现在任意角度或位置的物体抓取操作[1]。机械手每个驱动关节都有独立的电机对其进行控制, 这样才能保证其功能的完美实现, 而PLC是保证机械手能够按照人类要求进行工作的核心组成部分。

(一) PLC模块

PLC模块是机械手控制系统的核心, 它与普通微机的工作方式不同。普通微机的工作方式主要是等待相应的工作指令, 然后指令输入后才能完成相应的操作, 而PLC的工作方式则是按照操作顺序不断进行周期式的循环扫描, 从而实现机械手操作的自动化。PLC的这种工作方式, 原理在于PLC的中央处理器可以根据操作要求进行相应的程序编制, 之后将编制好的程序存储下来, 在工作的时候PLC会对程序进行周期循环式的扫描, 然后机械手就会按照程序循环式执行对应的操作, 在没有跳转指令的前提下, 这种循环操作会持续进行下去。PLC的这一控制过程可以划分为五个环节, 包括自诊、设备通信、信号收集、程序执行以及信号输出环节[2]。这五个环节可以看作是一个完整的扫描周期, 扫描周期循环往复就实现了机械手的重复操作, PLC扫描周期图如图1。

在PLC内部通常有内部继电器, 它其实就是一些存储器单元, 它们在PLC内部可以起到相应的操控作用, 也可以直接由外部信号对其进行操控。PLC内部继电器主要分为输入、输出两种形式, 他们分别与相应的输入输出点对应。在应用PLC进行机械手的控制时, 设计者必须详细了解PLC内部输入输出继电器的编号方法以及对应点位置等内容, 否则无法对其进行正确的编程, 接线操作也会出现问题。

(二) 机械手的夹紧结构

通常情况下, 机械手夹紧结构的主要作用是进行各种物体的抓取。为了保证抓取工作的效率, 机械手通常具有快速、灵活的特点。机械手的夹紧结构包括多个种类, 包括机械式、电磁式等。多数机械手夹紧结构都安装有专门的传感系统, 这样可以保证其操作的准确性。根据划分方式的不同, 机械手夹紧结构可以划分为许多种类, 每个种类都有其独特之处, 用户可以根据具体使用需求来选择合适的机械手夹紧结构。

二、机械手控制系统设计

机械手其实就是一种可以代替人手进行相应操作的机械装置。机械手的工作其实就是通过位置的移动, 抓取到相应的物体, 然后再将此物体放置到指定位置, 完成一系列操作后, 机械手会回到自己的原始位置[3]。机械手控制系统的设计主要是通过PLC设置实现对机械手上各个电机的控制, 包括直流电机和步进电机。

(一) 对直流电机的控制

在实际生产操作的过程中, 通过对直流电机的正反两个方向进行控制来实现相应的操作控制是最常见的一种方式。在进行这种方式的控制时需要注意两个方面, 其一是注意控制继电器的设计, 部分电路不能存在正反两种形式, 在这种情况下, 需要手动控制和PLC控制联合使用才能达到目的。这是由于PLC执行命令的速度非常快, 远远大于电路外部的线圈指令传导速度, 因此二者无法同步。其二, 在正常生产时, 可以通过H桥的应用来驱动直流电机, 从而达到双方向同步控制的目的。但是, 这种情况只适合那些容量比较小的直流电机。

(二) 对步进电机的控制

PLC对步进电机有非常好的控制能力, PLC可以通过其高速脉冲输出功能或运动控制功能来对步进电机进行控制。机械手作为一种移动距离和速度都很精确的机械设备, 采用PLC控制步进电机的方式来实现对机械手的精确控制是一种非常理想的方式。步进电机具有非常好的跟随性, 而且其响应速度快, 在启动、停止、正反转和变速方面的反应非常灵敏, 可以实现对机械手运动的精确控制。采用PLC技术来实现对步进电机的控制, 需要对系统的脉冲当量、脉冲频率上限等数据进行计算, 然后根据计算结果选择合适的PLC模块。采用PLC控制步进电机的方式来实现对机械手的操作控制, 需要根据操作要求提前进行移动距离、速度和方向等机械手操作参数设置。在实际操作过程中, PLC读取相应参数后, 经过必要的运算产生脉冲、方向信号, 并以此来实现对步进电动机的驱动控制, 从而完成机械手的各种操作。

(三) 机械手控制电路与程序设计

首先, 应当根据机械手的使用要求来制定设计方案。在这一过程中需要确定机械手在使用过程中应当完成的具体动作, 同时对于这些动作的完成顺序等情况进行详细了解。其次, 需要根据实际情况来进行输入输出设备的分配, 然后选择合适的PLC, 并且理清这些设备与PLC之间的具体线路连接情况, 还要保证PLC的输入输出端子可以与输入输出设备进行准确的对应。需要注意的是, 由于市场上PLC的种类比较多, 每种PLC的控制功能和接线情况也不同 (下面是西门子1200PLC的接线图) , 因此必须根据实际情况来选择最为合适的PLC[4]。

上述操作完成后, 需要根据机械手的具体操作要求来进行PLC的程序设计。在进行PLC程序设计时最好通过计算机来直接进行编程, 同时还需要对PLC的一系列功能进行调整设定。PLC程序设计完成后需要通过实际操作的方式对其进行反复的调试和修正, 这样才能保证控制系统可以达到最佳的控制效果, 最终实现对机械手操作过程的完美控制。所有这些完成后只要对最终的PLC程序进行存储操作即可。

在设计过程中需要注意的是, 机械手的任务通常是将物体从一个位置传递向另一个位置, 而且这些动作通常是周期式循环进行的, 操作具有一定的连续性, 因此在进行机械手的启动和停止按钮设计时, 每个功能只要设置一个按钮即可。

除此之外, 机械手的动作可以通过PLC软件编程的形式进行调整, 这就使得机械手可以实现更多操作, 有利于其应用范围的扩大。在进行控制面板设置时, 需要根据具体的操作情况来进行各种功能按钮的设计, 通过按钮来实现自动复位、机械手的升降、位置移动等功能, 这些操作的具体控制为机械手的维修保养带来一定的便利性, 因此是不可缺少的。