0 引言

　　機械手是一種模仿人手和臂的某些動作功能，按預定程序吸附、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可將工人從重復、繁重的勞動解放出來，實現生產的機械化和自動化Ⅲ，并且能在有害環(huán)境下工作，保護人身安全，被廣泛地運用在各個制造行業(yè)。可編程控制器(PLC)由于其高可靠性、編程方便以及安裝調試方便等優(yōu)點，也被大規(guī)模地應用在工業(yè)領域。本文即是采用PLC控制機械手運動的系統(tǒng)設計。

1 控制要求和運動過程

　　1.1 控制要求

　　本設計要求在在流水線、拋光機和裝箱機之間設置一個機械手，用以完成工件在不同工作區(qū)域間的位置轉換，其結構如圖l所示。具體過程為：當工件運至流水線A后，機械手收到信號后移動并吸附工件，而后將之放到拋光機B上進行拋光，等待拋光完成之后，機械手吸附工件放到流水線C上。機械手需要完成橫軸移動、縱軸移動和豎軸移動以及工件吸附的動作。

　　1.2 驅動方式

　　橫梁方向的移動由電機M1驅動，有三個工位，分別在SQ4、SQ5和SQ6處，總行程為1200MMI縱梁方向的移動由電機M2驅動，有兩個工位在SQ7和SQ10處，總行程為1000MM。由PLC控制四個接觸器KM1、KM2、KM3、KM4的開合進而控制電機M1和M2的正反轉。接觸器KM1得電，電機M1正轉，帶動機械手橫軸左移，KM2得電，電機M1反轉，帶動機械手橫軸右移； KM3得電，電機M2正轉，帶動機械手縱軸前進；KM4得電，電機M2反轉，帶動機械手縱軸后退。

　　豎梁方向的移動由氣缸G1驅動，有兩個工位，分別在和SQl2處，總移動行程為300MM。氣動系統(tǒng)由氣源、氣動三聯件、氣動系統(tǒng)控制閥、伸縮氣缸等部件組成，由空壓機獲得氣源，經氣動三聯件，得到清潔、干燥的空氣，經過電磁閥實現運動的轉換。由PLC控制電磁閥W5、

　　YV6來控制氣缸，實現豎梁的上升和下降。YV5得電，氣缸驅動豎梁上升；YV6得電，氣缸驅動豎梁下降。

　　機械手的吸附部件也采用氣動方式驅動。機械手爪有兩個狀態(tài)吸附和松開，由氣缸G2驅動。YV7得電，氣缸驅動真空吸盤實現吸料；失電，則機械手的真空吸盤松開。機械手如圖1所示。

圖1機械手示意圖

　　1.3 控制過程

　　具體的控制過程為：工件到達A，觸碰開關SB0，經程序控制使得下降控制閥電磁閥YV6得電，空氣經電磁換向閥和節(jié)流閥進入G1上缸體，氣缸驅動豎軸下降；下降至終點觸碰開關SQl2使得吸附電磁閥YV7得電，空氣經電磁換向閥和節(jié)流閥進入G2下缸體，機械手吸盤吸附工件；延時5S后保持吸附狀態(tài)上升；上升至終點觸碰限位開關SQ11，左移接觸器KMl得電，電機M1正轉，帶動橫軸左移，至B處觸碰開關SQ5，前進接觸器KM3得電，電機M2正轉，帶動機械手縱軸前進；前進至觸碰開關SQ10停止，此時下降電磁閥YV6得電，空氣經電磁換向閥和節(jié)流閥進人上缸體，氣缸驅動豎軸下降；下降至觸碰開關SQl2停止，吸附電磁閥YV7失電，空氣經電磁換向閥和節(jié)流閥進人G2上缸體，機械手松開釋放工件；豎軸上升至開關SQll停止，此時工件進行拋光，等待20s，下降電磁閥YV6得電，豎軸下降至開關SQ 12處停止，吸附電磁閥YV7得電，手爪吸附工件，等待5s上升；上升至終點觸碰開關SQll停止，左移接觸器KMl得電，橫軸移動至觸碰開關SQ6停止，下降電磁閥YV6得電，豎軸下降；到觸碰行程開關SQ12，吸附電磁閥YV7失電，手爪松開，延時5s后上升電磁閥YV5得電，豎軸上升至終點觸碰開關SQ11，右移接觸器KM2得電橫軸右移至原點觸碰開關SQ4停止。上述過程為一個循環(huán)。

2 硬件設計

　　2.1 I/O口分配及PLC選型

　　按照機械手的控制要求，系統(tǒng)需要19個輸人點，具體分配為：工件到位開關SB0，停止按鈕SB1；自動方式開關SQ21手動方式開關SQ3；橫軸限位右限位開關SQ4、中限位開關SQ5，左限位開關SQ6。縱軸后限位開關SQ7、前限位開關SQ10一豎軸上限位開關SQll、下限位開關SQ12；手動控制按鈕有左移按鈕SBl3、右移按鈕SB14、前進按鈕SB15、后退按鈕S16、上升按鈕SB17、下降按鈕SB20，夾緊按鈕SB21，松開按鈕SB22。

　　需要輸出點8個，具體分配為：工件到位指示燈一個，控制機械手橫軸左行的KM1和右行的KM2，控制縱軸前進的KM3和后退的KM4，控制豎軸上升的KV5和下降的KV6以及控制吸料的KV7。

　　根據上述輸入輸出情況，決定選用三菱公司的FX2N-48MR璋!PLC作為控制器。該型PLC分別擁有24個輸入和24個輸出接口，性能穩(wěn)定，能夠滿足控制要求。

　　2.2 控制面板及電路設計

　　機械手需要手動進行一些操作，如啟動、停止等操作以及手動控制，因此需要一個操作面板。操作面板設上有啟動按鈕、停止按鈕、自動方式開關、于動方式開關以及手動控制的各個按鈕。另外，面板內還需要一個轉換電源模塊，用以將220V的交流電壓轉換為24V的直流電壓，作為PLC輸入端的驅動電壓。設計好控制電路，按照分配好的PLC輸人和輸出接點，將各個開關和按鈕接入PLC輸入端，電磁閥和接觸器接到PLC的輸出端，以及機械手的各種驅動器接入控制電路。具體的接線圖如圖2所示。

圖2 PLC局部接線圖

3 軟件設計

　　因為系統(tǒng)有自動和手動兩種工作方式，故將整個程序分為公用程序、手動控制程序和自動控制程序三個部分。公用程序是在兩種工作方式下都需要運行的，主要用于自動程序和手動程序的相互切換。P0、P1為指針，使用條件跳轉cJ指令使手動程序和自動程序不會被同時執(zhí)行。選擇手動操作方式時，手動控制按鈕SQ3接通，則其常閉觸點斷開，程序不跳轉，執(zhí)行手動程序，井由于SQ2按鈕的常閉觸點閉合，則跳過自動操作程序；若選擇自動操作程序，SQ3的常閉觸點接通，SQ2的常閉觸點斷開，跳過手動程序而執(zhí)行自動程序。程序跳轉示意如圖3所示。

圖3程序跳轉示意圖

　　3.1 手動操作程序

　　當選擇手動控制時，由各個對應的手動操作按鈕來控制機械手的相應動作：左移、右移、前進、后退、上升、下降、夾緊和放松。為保證系統(tǒng)的安全運行，在手動程序中設置了必要的軟件聯鎖，以避免誤動作手動。如機械手只有在最高位置才能左右和前后移動，只有當SQ11置位時才允許橫軸和縱軸移動，因此在驅動電機M1、M2、M3、M4時，加入了豎梁的上限位開關X11的常開觸點作為聯鎖，防止機械手在較低位置時移動與別的物體發(fā)生碰撞。機械手的吸附放松動作由一個電磁閥控制，所以用SET使Y0置位(吸附)，用RST使Y0復位(放松)。手動程序如圖4所示。

圖4手動控制程序

　　3.2 自動操作程序

　　根據機械手的動作過程，編制出其自動操作的程序，采用順序設計法設計。在此我們用順序功能圖來表示程序流程，自動控制的SFC圖如圖5所示。

圖5自動程序的SFC圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　本設計采用組態(tài)王作為上位機的監(jiān)控軟件。主要需要的工作是建立通信連接，定義數據變量和構建對應的數據庫，機械手畫面的設計以及建立動畫連接等工作，最后運行和調試。

　　為了建立PLC與組態(tài)王的通信連接，可以在PLC編程軟件的菜單“PLC/串行口設置”設置通信地址和通信位停止位，偶校驗。

　　數據庫是組態(tài)軟件的核心部分，在組態(tài)中定義的變量要與PLC的變量嚴格一致，并且有一一對應關系。只有如此，當眥中的變量值發(fā)生變化時，組態(tài)軟件數據庫中的變量值隨之改變，通過對應的設置，才能實現畫面與實際變化的一致。當數據變量的實時值改變時，現場信號的動態(tài)就反映在畫面的圖形上。通過圖形對象的動畫效果表現出來。

　　按照控制要求設計出機械手的畫面模型。畫面設計應該和實物盡量相似。由系統(tǒng)搭建而成的圖形畫面在建立動畫連接前是靜止不動的，需要把畫面上的圖形對象與數據庫的數據變量定義動畫連接關系，進行動畫設計來表現設備對象的狀態(tài)變化。

5 結束語

　　根據行程的不同，機械手采用電機和氣缸兩種驅動方式，更好地實現了控制效果，對于控制程序，采用模塊化思想，運用跳轉指令實現靈活控制。三菱PLC結構緊湊，性能穩(wěn)定，控制效果良好，易于模塊化。當機械手控制要求改變時，改動相應程序，并作簡單的硬件修改即可。采用安裝有組態(tài)王軟件的計算機作為上位機進行監(jiān)控，畫面形象直觀，工作人員不在現場也可以觀測到機械手的運行情況。