王玉生
中粮包装投资有限公司 310018
摘要：机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，在工业自动化生产中占据着重要位置。驱动方式可以液压传动，也可以气压传动，也可以是电气控制等方法。随着传感器技术、气动技术、计算机技术等发展，基于计算机技术为基础的控制技术发展较快，其中气动技术以经济、廉价、灵敏等优点，而成为研究热点之一。
关键词：机械手；PLC控制；系统设计；研究
自80年代以来工业控制软件随着PC机的发展获得了空前发展，主要有人机界面软件、基于PC的控制的软件及生产管理软件等。前些年国外的应用软件占垄断地位，经一些年的研究开发部分软件具有了自主知识产权，如实时监控软件、先进的控制软件、过程优化软件等。应用于化工、工业控制等产生了较好的经济效益。
工业的现代化对自动控制要求的提高，以机电液气组成一体的控制装置越来越受到业界的关注。课题研究的气动机械手控制装置要求对计算机信息技术、控制技术、通信技术、网络技术、电力电子技术为一体的综合系统。要求比较高的硬件结构和开放的软件平台及功能适配的应用系统。
1.PLC程序设计算法分析
算法是决解决问题的清析思路的描述，对于一种可行的解决方案均有算法。当然对于不能解决的方案可能就没有算法可言。在本课题中编程环节要求按照机械手的工作要求实现控制要求，我们通过假定其初始位置为原点，其条件为右边、后退、松开状态为原始条件，基于此条件下实现自动操作与手动操作。
1.1分治法
设计中利用了重要的分治法实现各功能模块。依照气动机械手的工作顺序要求，划分为各小功能模块，如向左伸出与向右缩回、向下伸出与向上缩回、水平伸出与缩回等均可分为小的模块，设计中称为状态。从初始状态开始依次按要求将可画出相关系统流程图，如图4-6所示。各相关的状态中动作利用步进指令转换为梯形图程序，实现完整的控制功能。
1.2贪婪法
贪婪法的总体思路中把符合控制条件的所有情况均最大限度的列入考虑范畴，从中选取一个解决问题的办法。课题设计中考虑符合设计要求的思路会有多种，如采用最基本的思维，即把每一步均作最基本的“起一保一停”处理，并线圈内加入限制条件，在最开始作最基本的起动控制程序以实现控制功能。另一种方法可以采用SET，RST指令来实现控制功能。还有方法就是后续设计中用的用流程图把所有出现的动作当成状态，设计其流程图并转化为梯形图程序。
1.3回溯法
在设计流程图时其实还用到回溯法，即针对我们的工作任务进行分析并画流程图后，发现思路出错无法达到最佳的解决方法，后重新回至开始部分重新设计。如图4-3所示的流程图中在条件判断是全自动吗?需要设计者对条件仔细分析后返回在何处才是最佳答案。
1.4递推法
对于设计的程序图中各状态的实现方法，采用逻辑递推法，依次基本逻辑关系递推。如课题设计中关于机械手控制工作顺序中的各状态中执行动作及各状态间转换关系，不断利用这种递推办法，把气动机械手的工作过程按顺序设计其控制逻辑图。在程序设计过程中存在各种逻辑限制关系，要依照控制要求反复推敲后加入程序以实现各种功能及相关条件限制。
2.气动机械手控制系统的软件设计
2.1川页序功能图
顺序功能图（也称SFC图）主要用于设计动作具有严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行时控制系统。其总是按规定路线一步一步地进行，以完成控制任务。这种方法容易被初学者接受，对有经验的工程师也能较大提高设计效率，是控制系统设计中较常用的设计思路。此方法提供了通用和专用的编程元件，开发了专门供编制控制程序用的功能图，己成为当前PLC程序设计方法。
依照控制任务要求，从位于右侧、后退、上面的原点位置出发，要求依次执行的动作线路为摆动缸向左摆、水平气缸伸出、垂直气缸伸出、吸持工件、垂直气缸退回、水平气缸退回、摆动缸右摆、水平气缸伸出、垂直气缸伸出、放松工件、垂直气缸退回、水平气缸退回、原位的循环过程。
考虑在执行过程中如果出现问题或停电等不可预料情况，有时需要采用手动操作，故设置手动操作，可画出如图1所示的程序流程图。例如当选择手动操作方式后，合X22对应开关后，执行水平伸出，传感器检测到位后发出信号，X1为ON停止伸出。其它工作过程类似，共需要完成水平缩回、垂直伸出、垂直缩回、向右摆出、向左摆回、气爪抓紧、气爪松开。
图1 气动机械手手动流程图
2.2气动机械手总体SFC图
在X11，12，13，14，15，16，17，20，21，22，23同时只能有一个处于ON状态，必须使用转换开关，以保证控制方式的单一性。以免发生错误和危险。X10为手动/自动切换开关，X10为ON时进入手动操作，X10为OFF时进入自动操作。机械手系统PLC程序的总体结构如图2所示。
图2 气动机械手总结构图
考虑自动控制后形成的系统流程图如图3所示。最开始选择是手动操作方式还是自动操作方式，由方式选择开关来实现，流程图中用进入自动控制状态吗?
若选择自动操作方式，但机械手并没有处于原位（原始状态时，即右上方缩回状态）先使用手动操作使其回到初始位后开始执行自动控制的流程。当执行一个机械周期后，由工作方式选择开关实现选择单周期还全自动化的操作过程。即流程图中实现全自动吗?
图3 气动机械手总结构图
3.PLC控制系统梯形图程序
梯形图的设计的总体思路为方式选择开关X10=1时，执行手动操作方式；
X10=1时，执行自动操作程序，可利用程序控制指令CJ来实现，形成如图4-4所示的程序结构图。梯形图的编制方法很多，可以用起保停的方法，即按条件起动然后保持（自锁），下一个状态成立时切断上一个状态，也可以使用SET和RST来完成；比较典型的是以STL为特征的步进梯形图。
3.1手动梯形图程序
手动程序就是用按钮单独操作实现位置的移动，主要是在调整安装机械手位置时，需要手动操作；当机械手一开始未处于原位时，利用手动操作完成回到原始位置。输入端的工作方式选择开关选择SAI-1端点，即选择手动工作方式。分别用X14到X23对应的按钮控制机械手的手动动作。对应的手动操作程序如图4所示。如需要松开机械手所抓物体合上开关X15即实现。
图4 气动机械手程序结构图
如需要手动操作使回原位，即分别用X23使水平伸缩缸缩回；用X14合上为气爪缸夹紧。
又如X22为ON时，水平缸水平伸出；X23为ON时，水平缸则水平缩回。
其他操作类似。
图5 气动机械手手动控制程序
3.2自动梯形图程序
自动程序由控制单周期、连续、和单步的程序组成。如图2所示单周期、连续的单步这三种工作方式主要是用连续标志和转换允许标志来区分。单步与非单步的区分：系统工作在连续或者单周期工作方式时，X11，X12触点实现，允许步与步之间的转换。结合控制要求，可绘制图6所示的气动机械手自动控制的顺序功能图。
图6 气动机械手自动控制（单周/连续）SFC图
利用步进指令STL与RET结合实现将顺序功能图转换为梯形图程序如图7所示。图中前面加了回复原位的程序，即右、上、缩回位。只有具备原位后才按起动按钮实现自动控制。
图7 气动机械手动控制（单周/连续）SFC图（续）
4.结论
本文主要介绍软件设计，以顺序功能图的基本结构及应用为基础知识，分别介绍了单序列结构、选择性结构、并序列结构及其适用场合。以气动机械手的PLC控制为主体分别对课题研究的机械手的动作顺序介绍了手动操作环节梯形图程序；自动控制（单周期与全自动）的顺序功能图、梯形图程序、指令表程序。
论文作者:王玉生
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/31
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