1 机械结构和控制要求

　　如图1所示是一个将工件由A处传送到B处的机械手示意图，机械手的上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为YV1与YV2，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为YV3与YV4。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，直到相对的另一线圈通电为止。气动机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈(YV5)断电夹住工件，线圈(YV5)通电，松开工件，以防止停电时的工件跌落。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈(YV5)通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。

　　图1 机械手示意图

　　图2 机械手操作面板示意图

　　机械手的操作面板分布情况如图2所示，机械手具有手动、单步、单周期、连续和回原位五种工作方式，用开关SA进行选择。手动工作方式时，用各操作按钮(SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11)来点动执行相应的各动作;单步工作方式时，每按一次起动按钮(SB3)，向前执行一步动作;单周期工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮SB3，自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位(如果在动作过程中按下停止按钮SB4，机械手停在该工序上，再按下起动按钮SB3，则又从该工序继续工作，最后停在原位);连续工作方式时，机械手在原位，按下起动按钮(SB3)，机械手就连续重复进行工作(如果按下停止按钮SB4，机械手运行到原位后停止);返回原位工作方式时，按下“回原位”按钮SB11，机械手自动回到原位状态。

　　2 LC的I/O分配

　　如图3所示为PLC的I/O接线图，选用FX2N-48MR的PLC，系统共有18个输入设备和5个输出设备分别占用PLC的18个输入点和5个输出点。为了保证在紧急情况下(包括PLC发生故障时)，能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。在PLC开始运行时按下“电源”按钮SB1，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，给输出设备提供电源;出现紧急情况时，按下“急停”按钮SB2，KM触点断开电源。

　　图3 PLC的I/O接线图图

　　图4 机械手系统PLC梯形图的总体结构

　　3 PLC程序设计

　　3.1 程序的总体结构

　　如图4所示为机械手系统的PLC梯形图程序的总体结构，将程序分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序四个部分，其中自动程序包括单步、单周期和连续工作的程序，这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。梯形图中使用跳转指令使得自动程序、手动程序和回原位程序不会同时执行。假设选择“手动”方式，则X0为ON、X1为OFF，此时PLC执行完公用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于X0常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到P1处，由于X1常闭触点为闭合，所以又跳过回原位程序到P2处;假设选择分“回原位”方式，则X0为OFF、X1为ON，跳过自动程序和手动程序执行回原位程序;假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式，则X0、X1均为OFF，此时执行完自动程序后，跳过手动程序和回原位程序。

　　3.2 各部分程序的设计

　　(1)公用程序

　　公用程序如图5所示，左限位开关X12、上限位开关X10的常开触点和表示机械手松开的Y4的常开触点的串联电路接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。

　　公用程序用于自动程序和手动程序相互切换的处理，当系统处于手动工作方式时，必须将除初始步以外的各步对应的辅助继电器(M11-M18)复位，同时将表示连续工作状态的M1复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误的动作。

　　当机械手处于原点状态(M0为ON)，在开始执行用户程序(M8002为ON)、系统处于手动状态或回原点状态(X0或X1为ON)时，初始步对应的M1O将被置位，为进入单步、单同期和连续工作方式作好准备。如果此时M0为OFF状态，M1O将被复位，初始步为不活动步，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

　　图5 公用程序

　　图6 手动程序

　　(2)手动程序

　　手动程序如图6所示，手动工作时用X14～X21对应的6个按钮控制机械手的上升、下降、左行、右行、松开和夹紧。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁，例如上升与下降之间、左行与右行之间的互锁;上升、下降、左行、右行的限位;上限位开关X10的常开触点与控制左、右行的 Y2和 Y3的线圈串联，使得机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。

　　(3)自动程序

　　如图7所示为机械手系统自动程序的功能表图。使用通用指令的编程方式设计出的自动程序如图8所示。

　　系统工作在连续、单周期(非单步)工作方式时，X2的常闭触点接通，使M2(转换允许)ON，串联在各步电路中的M2的常开触点接通，允许步与步之间的转换。

　　假设选择的是单周期工作方式，此时X3为ON， X1和X2的常闭触点闭合，M2为ON，允许转换。在初始步时按下起动按钮X5，在M11的电路中，M1O、X5、M2的常开触点和X12的常闭触点均接通，使M11为ON，系统进入下降步，Y1为ON，机械手下降;机械手碰到下限位开关X11时，M12变为ON，转换到夹紧步，Y4被复位，工件被夹紧;同时TO得电，2s以后TO的定时时间到，其常开触点接通，使系统进入上升步。系统将这样一步一步地往下工作，当机械手在步M18返回最左边时，X4为ON，因为此时不是连续工作方式， M1处于OFF状态，转换条件·X12满足，系统返回并停留在初始步M10。

　　在连续工作方式，X4为ON，在初始状态按下起动按钮X5，与单周期工作方式时相同，M11变为ON，机械手下降，与此同时，控制连续工作的M1为ON，往后的工作过程与单周期工作方式相同。当机械手在步M18返回最左边时，X12为ON，因为M1为ON，转换条件M7·X4满足，系统将返回步M11，反复连续地工作下去。按下停止按钮X6后，M1变为OFF，但是系统不会立即停止工作，在完成当前工作周期的全部动作后，在步M18返回最左边，左限位开关X12为ON，转换条件·X12满足，系统才返回并停留在初始步。

　　图7 自动程序的功能表图

　　图8 自动程序

　　如果系统处于单步工作方式，X2为ON，它的常闭触点断开，“转换允许”辅助继电器M2在一般情况下为OFF，不允许步与步之间的转换。设系统处于初始状态，M10为ON，按下起动按钮X5，M2变为ON，使M11为ON，系统进入下降步。放开起动按钮后， M2马上变为OFF。在下降步， YO得电，机械手降到下限位开关X11处时，与YO线圈串联的X11的常闭触点断开，使YO的线圈断电，机械手停止下降。X11的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮， X5和M2处于OFF状态，一直要等到按下起动按钮，M5和M2变为ON，M2的常开触点接通，转换条件X11才能使M12接通，M12得电并自保持，系统才能由下降步进入夹紧步。以后在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能进入下一步。

　　在输出程序部分，X10～X13的常闭触点是为单步工作方式设置的。以下降为例，当小车碰到限位开关X11后，与下降步对应的辅助继电器M11不会马上变为OFF，如果YO的线圈不与X11的常闭触点串联，机械手不能停在下限位开关X11处，还会继续下降，这种情况下可能造成事故。

　　(4)回原点程序

　　如图9所示为机械手自动回原点程序的梯形图。在回原点工作方式(X1为ON)，按下回原点起动按钮X7，M3变为ON，机械手松开和上升，升到上限位开关时X10为ON，机械手左行，到左限位处时，X12变为ON，左行停止并将M3复位。这时原点条件满足，M0为ON，在公用程序中，初始步M0被置位，为进入单周期、连续和单步工作方式作好了准备。

　　图9 回原位程序

　　3.3 程序综合与模拟调试

　　由于在各部分程序设计时已经考虑各部分之间的相互关系，因此只要将公用程序(图5)、手动程序(图6)、自动程序(图8)和回原位程序(图9)按照机械手程序总体结构(图4)综合起来即为机械手控制系统的PLC程序。

　　模拟调试时各部分程序可先分别调试，然后再进行全部程序的调试，也可直接进行全部程序的调试。

　　4 结束语

　　本文介绍了日本三菱公司生产的FX2N-48MR型的PLC在机械手搬运控制中的设计应用。说明了机械手动作的程序设计方法。本文介绍的程序已在实际生产中获得了成功的应用。