0 引言

　　机械手是一种模仿人手和臂的某些动作功能，按预定程序吸附、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可将工人从重复、繁重的劳动解放出来，实现生产的机械化和自动化Ⅲ，并且能在有害环境下工作，保护人身安全，被广泛地运用在各个制造行业。可编程控制器(PLC)由于其高可靠性、编程方便以及安装调试方便等优点，也被大规模地应用在工业领域。本文即是采用PLC控制机械手运动的系统设计。

　　1 控制要求和运动过程

　　1.1 控制要求

　　本设计要求在在流水线、抛光机和装箱机之间设置一个机械手，用以完成工件在不同工作区域间的位置转换，其结构如图l所示。具体过程为：当工件运至流水线A后，机械手收到信号后移动并吸附工件，而后将之放到抛光机B上进行抛光，等待抛光完成之后，机械手吸附工件放到流水线C上。机械手需要完成横轴移动、纵轴移动和竖轴移动以及工件吸附的动作。

　　1.2 驱动方式

　　横梁方向的移动由电机M1驱动，有三个工位，分别在SQ4、SQ5和SQ6处，总行程为1200MMI纵梁方向的移动由电机M2驱动，有两个工位在SQ7和SQ10处，总行程为1000MM。由PLC控制四个接触器KM1、KM2、KM3、KM4的开合进而控制电机M1和M2的正反转。接触器KM1得电，电机M1正转，带动机械手横轴左移，KM2得电，电机M1反转，带动机械手横轴右移; KM3得电，电机M2正转，带动机械手纵轴前进;KM4得电，电机M2反转，带动机械手纵轴后退。

　　竖梁方向的移动由气缸G1驱动，有两个工位，分别在和SQl2处，总移动行程为300MM。气动系统由气源、气动三联件、气动系统控制阀、伸缩气缸等部件组成，由空压机获得气源，经气动三联件，得到清洁、干燥的空气，经过电磁阀实现运动的转换。由PLC控制电磁阀W5、

　　YV6来控制气缸，实现竖梁的上升和下降。YV5得电，气缸驱动竖梁上升;YV6得电，气缸驱动竖梁下降。

　　机械手的吸附部件也采用气动方式驱动。机械手爪有两个状态吸附和松开，由气缸G2驱动。YV7得电，气缸驱动真空吸盘实现吸料;失电，则机械手的真空吸盘松开。机械手如图1所示。

　　图1机械手示意图

　　1.3 控制过程

　　具体的控制过程为：工件到达A，触碰开关SB0，经程序控制使得下降控制阀电磁阀YV6得电，空气经电磁换向阀和节流阀进入G1上缸体，气缸驱动竖轴下降;下降至终点触碰开关SQl2使得吸附电磁阀YV7得电，空气经电磁换向阀和节流阀进入G2下缸体，机械手吸盘吸附工件;延时5S后保持吸附状态上升;上升至终点触碰限位开关SQ11，左移接触器KMl得电，电机M1正转，带动横轴左移，至B处触碰开关SQ5，前进接触器KM3得电，电机M2正转，带动机械手纵轴前进;前进至触碰开关SQ10停止，此时下降电磁阀YV6得电，空气经电磁换向阀和节流阀进人上缸体，气缸驱动竖轴下降;下降至触碰开关SQl2停止，吸附电磁阀YV7失电，空气经电磁换向阀和节流阀进人G2上缸体，机械手松开释放工件;竖轴上升至开关SQll停止，此时工件进行抛光，等待20s，下降电磁阀YV6得电，竖轴下降至开关SQ 12处停止，吸附电磁阀YV7得电，手爪吸附工件，等待5s上升;上升至终点触碰开关SQll停止，左移接触器KMl得电，横轴移动至触碰开关SQ6停止，下降电磁阀YV6得电，竖轴下降;到触碰行程开关SQ12，吸附电磁阀YV7失电，手爪松开，延时5s后上升电磁阀YV5得电，竖轴上升至终点触碰开关SQ11，右移接触器KM2得电横轴右移至原点触碰开关SQ4停止。上述过程为一个循环。

　　2 硬件设计

　　2.1 I/O口分配及PLC选型

　　按照机械手的控制要求，系统需要19个输人点，具体分配为：工件到位开关SB0，停止按钮SB1;自动方式开关SQ21手动方式开关SQ3;横轴限位右限位开关SQ4、中限位开关SQ5，左限位开关SQ6。纵轴后限位开关SQ7、前限位开关SQ10一竖轴上限位开关SQll、下限位开关SQ12;手动控制按钮有左移按钮SBl3、右移按钮SB14、前进按钮SB15、后退按钮S16、上升按钮SB17、下降按钮SB20，夹紧按钮SB21，松开按钮SB22。

　　需要输出点8个，具体分配为：工件到位指示灯一个，控制机械手横轴左行的KM1和右行的KM2，控制纵轴前进的KM3和后退的KM4，控制竖轴上升的KV5和下降的KV6以及控制吸料的KV7。

　　根据上述输入输出情况，决定选用三菱公司的FX2N-48MR璋!PLC作为控制器。该型PLC分别拥有24个输入和24个输出接口，性能稳定，能够满足控制要求。

　　2.2 控制面板及电路设计

　　机械手需要手动进行一些操作，如启动、停止等操作以及手动控制，因此需要一个操作面板。操作面板设上有启动按钮、停止按钮、自动方式开关、于动方式开关以及手动控制的各个按钮。另外，面板内还需要一个转换电源模块，用以将220V的交流电压转换为24V的直流电压，作为PLC输入端的驱动电压。设计好控制电路，按照分配好的PLC输人和输出接点，将各个开关和按钮接入PLC输入端，电磁阀和接触器接到PLC的输出端，以及机械手的各种驱动器接入控制电路。具体的接线图如图2所示。

　　图2 PLC局部接线图

　　3 软件设计

　　因为系统有自动和手动两种工作方式，故将整个程序分为公用程序、手动控制程序和自动控制程序三个部分。公用程序是在两种工作方式下都需要运行的，主要用于自动程序和手动程序的相互切换。P0、P1为指针，使用条件跳转cJ指令使手动程序和自动程序不会被同时执行。选择手动操作方式时，手动控制按钮SQ3接通，则其常闭触点断开，程序不跳转，执行手动程序，井由于SQ2按钮的常闭触点闭合，则跳过自动操作程序;若选择自动操作程序，SQ3的常闭触点接通，SQ2的常闭触点断开，跳过手动程序而执行自动程序。程序跳转示意如图3所示。

　　图3程序跳转示意图

　　3.1 手动操作程序

　　当选择手动控制时，由各个对应的手动操作按钮来控制机械手的相应动作：左移、右移、前进、后退、上升、下降、夹紧和放松。为保证系统的安全运行，在手动程序中设置了必要的软件联锁，以避免误动作手动。如机械手只有在最高位置才能左右和前后移动，只有当SQ11置位时才允许横轴和纵轴移动，因此在驱动电机M1、M2、M3、M4时，加入了竖梁的上限位开关X11的常开触点作为联锁，防止机械手在较低位置时移动与别的物体发生碰撞。机械手的吸附放松动作由一个电磁阀控制，所以用SET使Y0置位(吸附)，用RST使Y0复位(放松)。手动程序如图4所示。

　　图4手动控制程序

　　3.2 自动操作程序

　　根据机械手的动作过程，编制出其自动操作的程序，采用顺序设计法设计。在此我们用顺序功能图来表示程序流程，自动控制的SFC图如图5所示。

　　图5自动程序的SFC图

　　4 监控系统设计

　　本设计采用组态王作为上位机的监控软件。主要需要的工作是建立通信连接，定义数据变量和构建对应的数据库，机械手画面的设计以及建立动画连接等工作，最后运行和调试。

　　为了建立PLC与组态王的通信连接，可以在PLC编程软件的菜单“PLC/串行口设置”设置通信地址和通信位停止位，偶校验。

　　数据库是组态软件的核心部分，在组态中定义的变量要与PLC的变量严格一致，并且有一一对应关系。只有如此，当眦中的变量值发生变化时，组态软件数据库中的变量值随之改变，通过对应的设置，才能实现画面与实际变化的一致。当数据变量的实时值改变时，现场信号的动态就反映在画面的图形上。通过图形对象的动画效果表现出来。

　　按照控制要求设计出机械手的画面模型。画面设计应该和实物尽量相似。由系统搭建而成的图形画面在建立动画连接前是静止不动的，需要把画面上的图形对象与数据库的数据变量定义动画连接关系，进行动画设计来表现设备对象的状态变化。

　　5 结束语

　　根据行程的不同，机械手采用电机和气缸两种驱动方式，更好地实现了控制效果，对于控制程序，采用模块化思想，运用跳转指令实现灵活控制。三菱PLC结构紧凑，性能稳定，控制效果良好，易于模块化。当机械手控制要求改变时，改动相应程序，并作简单的硬件修改即可。采用安装有组态王软件的计算机作为上位机进行监控，画面形象直观，工作人员不在现场也可以观测到机械手的运行情况。