基于PLC控制機械手基本設(shè)計

徐海洋

摘 要：本文結(jié)合機械手的工作過程原理和控制要求，設(shè)計了基于PLC控制的機械手，重點介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計思路、PLC的選擇以及PLC程序設(shè)計。

關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC） 機械手 控制

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0224-02

一、機械手的工作過程及控制要求

1.機械手的基本結(jié)構(gòu)

機械手是一個水平、垂直運動的機械設(shè)備，有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。本設(shè)計中的機械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，機械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制驅(qū)動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖1-1為機械手簡圖，其中 1-執(zhí)行氣爪，2-水平伸縮氣缸，3-旋轉(zhuǎn)軸，4-豎直氣缸，5-底座，6-工件。

機械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由氣動缸驅(qū)動。主機部分采用了標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標準化的產(chǎn)品。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動機械手、門架型氣動機械手及滑塊型氣動機械手，及其它各種類型的機械手。氣動機械手具有三個自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。

2.機械手的控制要求

根據(jù)要求：機械手初始位置在原點位置，每次循環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉(zhuǎn)。當光電開關(guān)檢測到物品后，左傳送帶停止運行。根據(jù)分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2-1所示。

機械手的操作方式分為手動操作和自動操作，自動操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。

2.1 機械手的自動運行：

① 下降：② 加緊工件：③ 上升： ④ 右移： ⑤ 下降：⑥ 放松工件：⑦ 上升： ⑧ 左移：⑨ 回到原位又開始新的工作循環(huán)周期。

2.2 機械手的手動運行

手動運行是指機械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應(yīng)的手動操作按鈕控制，與操作順序無關(guān)。

二、機械手PLC控制的設(shè)計

1.設(shè)計思路

考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。

送料機械手的動作示意圖如圖3-1 所示。啟動控制有2種，1個由啟動開關(guān)安裝在現(xiàn)場，1個由通過組態(tài)王軟件控制。在控制面板上，安裝一個檔位開關(guān)，分手動和自動兩大檔位，手動擋包括調(diào)試和回原位兩檔，自動擋分單步、半自動和全自動三檔，要求自動擋的操作必須在回原位的基礎(chǔ)上才能進行。

2.PLC的選擇

該機械手的控制為純開關(guān)量控制，且所要的I/O點數(shù)不多，因此選擇一般小型抵擋機即可。由于所要的I/O點數(shù)為15/6點，考慮到機械手操作的工藝固定，PLC的I/O點基本上可不留裕量。

由于不同記性的PLC，其I/O點的編號不同，因此應(yīng)根據(jù)所選擇的機型，對PLC的I/O點分配編號。如圖所示的編號。

3.PLC程序設(shè)計

為了便于編程，先繪制出整個控制程序的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1所示。

在該結(jié)構(gòu)框圖中，當操作方式選擇開關(guān)置于“手動”時，輸入點X407接通，其輸入繼電器常閉接點斷開，執(zhí)行手動操作程序。

由于手動程序和自動程序采用了跳轉(zhuǎn)指令，因此在著兩個程序段可以采用同樣的一套輸出繼電器。

用移位器編程：由于自動操作的控制比較，不容易直接設(shè)計出梯形圖，因此可以先畫出自動的操作流程圖，用以表明動作的順序和條件，如圖3-2。

圖3-2中，矩形方框代表完成某一動作的控制程序，方框之間的箭頭線用以表示程序的轉(zhuǎn)換，箭頭線上的小橫線用以表示轉(zhuǎn)換的條件。

當機械手處于原點時，壓下上限位開關(guān)和左限開關(guān)，輸入點X402和X404接通，產(chǎn)生原點指示輸出。

根據(jù)自動操作的流程圖，就可以設(shè)計自動操作的梯形圖如圖3-3所示。

梯形圖的控制原理：

3.1連續(xù)及單周期操作

在連續(xù)及單周期操作方式下，單步輸入點X410斷開，輸入繼電器X410常閉接點閉合，將位移寄存器的位移輸入直接接入輸入端。

當機械手處于原點時，壓下上限位開關(guān)和左限位開關(guān)，輸入點X402和X404接通，Y435接通，原點指示燈亮。

① 按下起動按鈕，M120接通并自保，移位器數(shù)據(jù)輸入端接通，M100置“1”，Y430接通，下降電磁閥得電，機械手下降。

② 下降到底碰到下限位開關(guān)時，輸入繼電器X401接通，Y430斷開，下降停止，同時產(chǎn)生移位信號，將M100的“1”態(tài)移到M101。M101的常開接點將Y431接通，夾緊電磁閥的電，機械手夾緊工件，T450開始計時。同時，M101的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開，使M100置“0”。

③T450延3s后，其常開接點閉合，產(chǎn)生移位信號，將M102置“1”，M101置“0”。M102的常開接點將Y432接通，上升電磁閥得電，機械手上升。同時，M102的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。

④上升到頂碰到上限位開關(guān)時，輸入繼電器X402接通，Y432斷開，上升停止，同時產(chǎn)生移位信號，將M103置“1”，M102置“0”，M103的常開接點將Y433接通，右移電磁閥得電，機械手右移。同時，M103的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。

⑤ 右移到位碰到右限位開關(guān)時，輸入繼電器X402接通，Y432斷開，右移停止，同時產(chǎn)生移位信號，將M104置“1”，M103置“0”。M104的常開接點閉合，若此時右工作臺無工件，則光電開關(guān)因露光而導(dǎo)通，其常開接點使輸入繼電器X405接通，Y430再次接通，機械手下降。同時，M104的常閉接點將移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端斷開。若右工作臺有工件，則光電開關(guān)因遮光面斷開，X405斷開，Y430不能接通，機械手暫停等待。

3.2設(shè)計小結(jié)

機械手采用PLC控制技術(shù)后，操控簡便，系統(tǒng)線路簡單，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，同時還能根據(jù)不同用戶的需求對其功能進行擴展，提高了工作效率及檢測準確性。

參考文獻

[1]李壯云.液壓元件與系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]張玉芝.PLC在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山東紡織經(jīng)濟，2005

[3]范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2010

[4]李懷智.試析PLC自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011