PLC在機(jī)械手控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

本文對應(yīng)用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器FX系列PLC，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（PLC）的控制功能，從而使其性能可靠穩(wěn)定。

一、機(jī)械手簡介

機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。

二、搬運(yùn)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型，具有三個(gè)自由度，即手臂的伸長、縮短和整體旋轉(zhuǎn)。

采用液壓驅(qū)動(dòng)，其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、操作簡單、安全、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)且液壓元件能夠自行潤滑等一系列優(yōu)點(diǎn)。

在控制方式選擇上，由于其功能只是在兩個(gè)工作臺(tái)之間搬移工件，運(yùn)動(dòng)簡單，控制要求不高，因此，采用點(diǎn)位控制方式。

機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動(dòng)作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動(dòng)作。簡單的機(jī)械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要移動(dòng)。

2.傳動(dòng)系統(tǒng)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要由傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。常用機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)分機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。

3.控制系統(tǒng)

機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動(dòng)作，簡單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動(dòng)作．動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

三、機(jī)械手的選擇

由于機(jī)械手是在搬運(yùn)中應(yīng)用的，所以采用傳送帶加旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手類型。此機(jī)械手易于操作，性能可靠。

四、機(jī)械手操作方式

機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。

五、機(jī)械手控制

從原點(diǎn)開始按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，下降電磁閥通電，機(jī)械手開始下降。下降到底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊，夾緊后，上升電磁閥開始通電，機(jī)械手上升；上升到頂時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移，右移到位時(shí)，碰到右移極限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，右移停止。此時(shí)，右工作臺(tái)上無工作，則光電開關(guān)接通，下降電磁閥接通，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)碰到下限位開關(guān)下降電磁閥斷電，下降停止；同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松，放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升，上升到極限時(shí)碰到極限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移；左移到原點(diǎn)時(shí)，碰到左極限開關(guān)，左移電磁閥斷電，左移停止。至此，機(jī)械手經(jīng)過以上幾個(gè)動(dòng)作完成一個(gè)循環(huán)。

六、輸出設(shè)備——由PLC的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件

本設(shè)計(jì)中輸出設(shè)備應(yīng)包括下降電磁閥、上升電磁閥、左移電磁閥、右移電磁閥、夾緊電磁閥等部分。為了對機(jī)械手原點(diǎn)位置進(jìn)行指示，還要配置一個(gè)原點(diǎn)指示燈。

總之，根據(jù)所確定的用戶輸入設(shè)備及輸出設(shè)備可知，PLC共需要15點(diǎn)輸入、6點(diǎn)輸出。

考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用PLC作為核心控制器，各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作，所以PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出)。

七、PLC的工作過程

1.初始操作（上電處理）

PLC未進(jìn)入正式運(yùn)行前，首先應(yīng)確定自身的完好性。這就是接通電源后的初始操作。通電后，消除各元件的隨機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行清零或復(fù)位處理，檢查I／O單元的連接是否正確（I／O總線）。

2.運(yùn)行

（1）PLC的工作方式——（順序）周期循環(huán)掃描；

（2）掃描——按分時(shí)操作的原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，順序進(jìn)行，這種分時(shí)操作的過程稱“CPU對程序的掃描”。

（3）工作特點(diǎn)——集中輸入，集中輸出（小型PLC）。

八、PLC程序設(shè)計(jì)

通過分析控制要求，應(yīng)該設(shè)計(jì)機(jī)械手復(fù)位程序、手動(dòng)運(yùn)行程序和自動(dòng)運(yùn)行程序。搬運(yùn)機(jī)械手在暫停或者等待指令時(shí)，液壓系統(tǒng)的液壓泵一般要處于卸荷狀態(tài)，因此，還要設(shè)計(jì)控制液壓泵卸荷與否的程序，對液壓泵進(jìn)行控制。

該機(jī)械手的設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了液壓氣動(dòng)技術(shù)和PLC技術(shù)的優(yōu)勢，較好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的規(guī)定動(dòng)作。隨著科技的迅猛發(fā)展，液壓氣動(dòng)技術(shù)和PLC技術(shù)結(jié)合，將能進(jìn)一步提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度、可靠性和穩(wěn)定性。

（作者單位：李利，青島科技大學(xué)、萊蕪市高級(jí)技工學(xué)校；

王玉菊，萊蕪市高級(jí)技工學(xué)校）