三菱PLC控制的機械手系統設計

陳偉勝

摘 要：由于氣動機械手具有結構簡單、成本低，控制方便等優點，并可以根據各種自動化設備的工作需要，按照設定的程序工作，因此它在自動生產設備和生產線上被廣泛應用。由于企業需要對變送器進行高低溫補償，針對公司現有的提供補償所用的高低溫箱，設計了一套小型的用來放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動機械手將準備進行高低溫補償的變送器，放置到框架上下兩層的各工位上。在詳細研究了氣動機械手的結構、動作循環及工作原理之后，根據該氣動機械手的工作流程，設計了氣壓傳動系統和三菱PLC控制系統。包括氣動原理的制定、氣動元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫。氣動機械手采用多位置氣缸，以實現機械手在框架每層各工位之間的操作；并使機械手操作氣缸沿立柱上下運動，以實現機械手在上下兩層之間的操作。

關鍵詞：機械手；PLC；控制系統

一、機械手的單個工作流程

機械手移動到傳送帶B工件處夾緊工件——將工件移動到指定位置傳送帶A—放下工件—機械手回到初始位置五個過程完成，機械手通過三菱PLC來控制，可實現這五個過程全自動依次運行：A）械手移動到工件B處：機械手分別通過步進電機及直流電機來控制，使得機械手移到工件（傳送帶B）處，移動的最大位置通過相應的限位開關來控制；B）工件移動到指定位置：機械手分別通過步進電機及直流電機來控制，使得機械手移到工件（傳送帶A）處，移動的最大位置通過相應的限位開關來控制；）C夾放工件：通過夾緊/放下直流電機的正轉來控制，夾緊工件通過定時器來控制，即憑經驗設定一個時間（本系統設為55），在這個時間內機械手能完全夾緊工件；D）放下工件：通過夾緊/放下直流電機的反轉來控制，通過松限開關來控制；E）機械手回到初始位置：機械手分別通過步進電機及直流電機來控制，使得機械手移到初始位置處，移動的最大位置通過相應的限位開關來控制。

二、機械手的操作方式

機械手的操作方式可分為手動操作方式和自動操作方式。自動操作方式又分為單步、單周期和連續操作方式。（1）手動：用按鈕操作對機械手的每一步運動單獨進行控制，如：當選擇上/下運動時，按下起動按鈕，機械手上升，按下停止按鈕，機械手下降；當選擇左/右運動時，按下起動按鈕，機械手左移，按下停止按鈕，機械手右移；當選擇夾緊/放松按鈕時，按下起動按鈕，機械手夾緊，按下停止按鈕，機械手放松，該方式用于機械手系統的“回原位”操作本系統中，可用手動方式用于機械手的初始狀態定位，用操作面板上的按鈕來點動執行相應的各動作；（2洋步：每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后，自動停止；（3洋周期操作：機械手從原點開始，按一下起動按鈕，機械手自動完成一個周期的動作后，返回原位（如果在動作過程中，按下停止按鈕，機械手停在該工序上，再按下起動按鈕，則又從該工序繼續工作，最后停在原位），本系統采用單周期方式進行機械手的工藝過翟機械手移動到傳送帶B工件處—夾緊工件—將工件移動到指定位置傳送帶A—放下工件—機械手回到初始位置）；（4漣續操作：機械手從原點開始，按一下起動按鈕SB3，機械手的動作將自動地、連續不斷地周期性循環，在工作中，若按一下停止按鈕SB4，則機械手將繼續完成一個周期的動作后，回到原點自動停止。

三、機械手氣動系統設計

氣動機械手硬件系統由四個氣缸、三個真空吸盤、限位磁性接近開關、5個兩位五通電磁氣閥和1個兩位兩通電磁氣閥組成的閥島、控制面板、接線端子、三菱PLC、按鈕開關及指示燈等相關電氣元件組成。當按鈕開關或磁性接近開關發出信號傳遞到三菱PLC輸入端子，經過三菱PLC程序處理，三菱PLC發出動作控制信號驅動相應主控閥電磁線圈的通斷，控制壓縮空氣的運動方向，使氣缸產生對應的動作。要實現前述控制任務要求，其控制部分包括氣動回路與三菱PLC控制部分。氣動機械手的氣壓控制回路如圖3所示。氣源產生壓縮空氣，經三聯件處理后，經兩位五通閥和單向節流閥分別進入滑臺氣缸、回轉氣缸、懸臂氣缸、升降氣缸。兩位五通閥電磁線圈的通斷決定了氣缸的動作，比如控制滑臺氣缸的二位五通閥通電時，滑臺氣缸本體（缸體）左移；斷電時滑臺氣缸本體（缸體）右移。本機械手選擇兩位閥，而沒有選擇具有中位機能的三位閥，主要是為了減少控制信號，減少三菱PLC的輸出點數。單向節流閥的作用是調節氣缸的運動速度，產生一定的背壓緩沖。對真空吸盤吸光盤的過程，當真空發生器通過高壓氣體時，產生一定的真空度，實現吸光盤，此時，兩位五通閥處于通電狀態，兩位兩通閥處于斷電狀態。對放光盤的過程，要求高壓氣體先經兩位兩通閥，通過真空吸盤將吸附的光盤吹落，延遲一段時間后斷開真空吸盤的氣路，以節約用氣量，故要求在兩位五通閥通電、兩位兩通閥斷電狀態下，兩位兩通閥先通電，延遲一段時間后，兩位五通閥再斷電，然后兩位兩通閥再斷電。

四、機械手電氣系統設計

應用三菱PLC作為電氣控制，可以減化控制線路，降低故障率，實現機械手多種動作線路，具有一定的柔性，也適于教學演示。一般機械手有手動、自動控制之分，手動控制主要用來硬件調試。自動控制中也分單步、單周期、周期循環等工作狀態。其控制要求為：按下啟動按鈕，檢測氣動機械手是否處于原位，如果不是，按下復位按紐回到原位，如果是，則檢測氣動機械手處于何種工作狀態下，單步意味著每按下一次啟動按鈕，機械手執行一步動作；單周期指執行一次動作循環，最后回到初始位置；周循環則是機械手重復不斷的執行動作，直到按下復位或停止按鈕為止。根據機械手的硬件結構，三菱PLC輸入信號有：工作狀態選擇開關輸入、啟動停止按鈕輸入、磁性接近開關信號輸入、手動開關輸入及程序選擇開關輸入共22個輸入點；機械手的輸出信號有：驅動4個氣缸的電磁閥線圈4個，控制真空吸盤的電磁閥線圈2個，原點指示燈1個，共7個輸出點。選擇輸入點大于22點，輸出點大于7點的三菱PLC，可選擇三菱的FX2n-48MR。

五、機械手三菱PLC程序設計

氣機械手的控制及動作路線由三菱PLC的程序來實現，根據前述要求，該程序框架采用調用子程序方法，在主程序中實現機械手工作狀態的選擇，子程序實現機械手的復位和動作路線的實現，這種程序框架邏輯清晰，便于閱讀與修改擴展，其程序框架如圖所示。

在搬運光盤的過程中，光盤會越搬越少，故選擇循環動作工作狀態時，每次機械手下降的行程會逐漸增長，故程序中沒有使用升降氣缸的伸出限位開關來反饋位置信號，而是以三菱PLC的軟時間繼電器設置合適的延遲時間來代替，當光盤被搬空時，升降氣缸伸出限位開關被觸動時，機械手就自動復位，回初始位置。

結論

氣動機械手具有結構簡單、易于控制、成本低等特點。針對公司現有的高低溫箱，設計了一套小型的用來放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動機械手，將準備進行高低溫補償的變送器，放置到框架上下兩層的各工位上，實現了變送器的高低溫補償系統。并設計了氣壓傳動系統和三菱PLC控制系統。包括氣動原理的制定、氣動元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫。氣動機械手采用了多位置氣缸，以實現機械手在框架每層各工位之間的操作；并使機械手使用氣缸沿立柱上下運動，以實現機械手在上下兩層之間的操作。本設計提高了生產的速度，減輕了工人的勞動強度，節約了人力資源，具有很強的實用性。

參考文獻

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