基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

王光玉

（淄博市中心醫(yī)院，山東 淄博 255000）

機械手的控制是一個需要在滿足功能要求的基礎(chǔ)上進行一套完整的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計。其內(nèi)在的控制要求是需要提高機械手整體的運行質(zhì)量及其效率。而PLC經(jīng)過多年的發(fā)展，因其可靠性高，實現(xiàn)工業(yè)自動化的過程中編程較為方便，同時方便維護與修改等優(yōu)越性逐漸在工業(yè)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。本文的主要設(shè)計工作是完成最常見的操縱機械手控制設(shè)計，其控制核心是PLC。

首先，我們分析機械手的總體控制要求，主要包括控制方法、實現(xiàn)動作的基本過程以及相關(guān)的控制要求。

其次，完成所選控制器對象的控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)，選擇型號以及連接方式，主要包含PLC型號的選定，以及為滿足控制要求時的IO地址安排，最主要的是繪制出整體控制系統(tǒng)所要求電氣原理圖的圖紙。

最后，進行PLC控制軟件的編寫。

在具體的設(shè)計中，依據(jù)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)特征，將現(xiàn)有程序劃分為2部分，即總體與各功能的子程序設(shè)計。

1 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 機械手控制系統(tǒng)的分析

通常，機械手控制設(shè)計是使用繼電器控制或PLC控制，還有的選擇采用微機來進行相關(guān)動作的控制。一方面，由于在選擇繼電器進行控制的時候，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，故障率非常高，同時，該種控制策略也是非常的不靈活，帶的功耗也較多，漸漸地也不被工程師選用；另一方面，在采用微機進行控制機械手的策略上，雖然都能在智能控制表現(xiàn)出良好的成績，但是，其在抗干擾、系統(tǒng)設(shè)計簡易程度方面則表現(xiàn)出很大的不足，同時，一般維護人員也很難掌握維護技能。但是，對于PLC，其本身具有非常高的可靠性，同時操作也是十分方便，因此，PLC在工業(yè)領(lǐng)域也獲得了非常廣泛的使用，因此，本文對機械手的設(shè)計選擇采用PLC來進行控制。

1.2 機械手控制的基本工藝和控制要求

圖1是一臺用于工件傳送的機械手裝置，在工作的時候動作的示意圖。它的主要功用是能夠把工件從A位置運送到B位置，該機械手在進行有關(guān)升降以及左右動作的時候，是通過2個電磁閥的動作，從而來驅(qū)動汽缸的動作得以實現(xiàn)的。而在這里面，對于實現(xiàn)上升以及下降的動作功能的電磁閥內(nèi)部的線圈編號為YV1、YV2，實現(xiàn)左、右行動作的分別為YV3、YV4。對于線圈YV5而言，當(dāng)其斷電時實現(xiàn)的是夾緊動作，得電為松開工件的動作，實際目的在于防止停電發(fā)生的時候，所夾工件出現(xiàn)掉落。對于機械手的運動范圍限定方面，在上、下、左、右分別設(shè)置有SQ1～SQ4限位開關(guān)，對于夾緊的機械裝置來說，其自身不帶有限位開關(guān)，在具體工作過程中，采用延時來夾緊工件。

圖1 機械手動作過程

2 機械手PLC控制的硬件設(shè)計

2.1 PLC的選型

選擇PLC時，需要考慮許多因素。例如，最大輸入和輸出點數(shù)、掃描速度、存儲容量、指令數(shù)、功能模塊等。三菱FX系列可編程控制器是最獨特，最具代表性的微型PLC。當(dāng)涉及受控對象時，PLC系統(tǒng)具有更高的性價比，比其他類型的控制系統(tǒng)更易于使用和維護。通過對系統(tǒng)的分析，機械手可以控制18個輸入點和6個輸出點。根據(jù)PLC選擇的I/O點和存儲容量，需要一些冗余和強大的通信功能。同時，考慮到設(shè)計經(jīng)濟性原則，本設(shè)計使用FX3GA-60MR-CM，其輸入繼電器（X）36點，輸出繼電器（Y）24點，直流輸出36點，狀態(tài)繼電器（S）1000 FX3GA-60MR-CM，包括積分，計時器（T）256點等。

2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）PLC輸入輸出接口的安全保護。如果將輸出端口連接到電感設(shè)備，則應(yīng)在電感元件上添加其他保護元件，以防止在電路關(guān)閉時高壓損壞輸入和輸出端口。對于直流電源，續(xù)流二極管必須并聯(lián)，對于交流電路，必須并聯(lián)電阻—電容電路。

（2）PLC抗干擾的措施。PLC系統(tǒng)必須良好接地，來減少對電源輸入和輸出的干擾。通常，接地方法與信號頻率有關(guān)。對于低于1MHz的頻率，可以將一個點接地。在10MHz以上，使用多點接地。如果是1～10MHz，PLC控制系統(tǒng)通常使用單點接地。將所有接地端子連接到最近的接地點，以獲得最佳的干擾保護。接地線的截面積不得小于2.5mm2，且接地電阻為≤100Ω。

（3）電氣元件選擇。①電源配置。PLC輸入電源AC220V，輸出為220V繼電器型輸出，配備AC220V外接電源，無直流電源。②行程開關(guān)的選擇。行程開關(guān)的分類：直接驅(qū)動型，滾動型，微動型。直動式行程開關(guān)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但觸點燒蝕容易。滾動行程開關(guān)克服了直接驅(qū)動行程開關(guān)的缺點，但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且價格相對昂貴。因此，選擇微型旅行行程開關(guān)，體積小，動作靈敏度高，適合在小型機構(gòu)中使用。型號是LX32-4S。③接觸器的選擇。根據(jù)以上內(nèi)容我們選擇交流電磁接觸器。CJ12系列接觸器適用于交流50Hz，額定工作電壓380V和額定電流600A的電路。連接諸如斷路或長距離運動頻繁的設(shè)備。型號為CJ12-600。④電磁閥的選擇。電磁閥的優(yōu)點：耐高溫電磁閥是間接先導(dǎo)平衡式電磁閥，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和廣泛的應(yīng)用范圍的特點。本設(shè)計中選擇的電磁閥是2個雙線圈電磁閥（型號VF3230）和1個單線圈電磁閥（型號VF3130）。綜上分析，電氣元件清單如表1所示。

表1 電氣元件清單

2.3 輸入/輸出端子地址分配

其中I/O具體分配如表2。

表2 輸入輸出分配表

3 程序設(shè)計

3.1 PLC的程序設(shè)計思想

對于上述機械手整體地控制要求分析獲知，不論是何種工作的形式，整體機械手需要完成的動作就是依靠特定流程來實現(xiàn)的。具體而言，為原點—下降—夾緊—上升—右移—下降—放松—上升—左移—原點。在每一步的動作過程中，整體的控制系統(tǒng)是依靠對應(yīng)的步驟，機械手執(zhí)行所觸發(fā)的限位開關(guān)來實現(xiàn)對機械手動作完成與否的判斷，在控制的流程方面完全是依靠機械手相應(yīng)動作的先后排列順序來實現(xiàn)。因此，在實際的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)采用順序控制的形式來完成機械手的動作設(shè)定。通過以上的分析可以得出，對于機械手的動作控制程序，應(yīng)該遵從順序控制的結(jié)構(gòu)進行編寫。

3.2 機械手控制系統(tǒng)程序設(shè)計

（1）基本指令程序。完成機械手動作設(shè)定的程序，主要包含公用以及自動程序，同時還包含手動、回原位等四個方面。對于這里的自動程序來說，具體的控制實現(xiàn)包含單步以及單周期，同時包含連續(xù)運行等方面，由于上述步驟在實際的工作過程中執(zhí)行的順序都是完全相同的，因此在實際的程序編寫過程中將統(tǒng)一編寫。CJ（FNC00）代碼是實現(xiàn)控制條件發(fā)生跳轉(zhuǎn)后所使用的應(yīng)用代碼，對于指針的標(biāo)號P在該代碼使用時所需要的具體操作數(shù)。上述代碼主要是用于當(dāng)滿足某種語句的時候，忽略CJ指令以及相關(guān)指針的標(biāo)號中間所包含的程序語句，執(zhí)行的過程中能夠從指針標(biāo)號的地方進行繼續(xù)執(zhí)行動作，從而能夠有效地降低程序運行的時間消耗。當(dāng)操作的過程中選擇了“手動”的動作形式，這時候輸入X0、X1分別就為ON以及OFF狀態(tài)，當(dāng)PLC開始一直執(zhí)行現(xiàn)有的公用程序，當(dāng)完成的時候就會跳過代碼中設(shè)置的自動程序，直接到達(dá)P0的位置。當(dāng)P1處的輸入X1閉合后，程序就會跳過程序中的原位程序直接到達(dá)P2的地方。此時要是選擇了“回原位”的動作執(zhí)行形式，就只能夠執(zhí)行公用以及回原位的控制代碼。當(dāng)選擇了“單步”以及“連續(xù)”的動作執(zhí)行形式，此時，也就只能夠執(zhí)行公用以及自動的控制代碼。

（2）公用程序設(shè)計。圖2是“公用程序”的梯形圖。當(dāng)輸出Y4處在復(fù)位狀態(tài)的時候，左、上限位X21、X17觸發(fā)，程序中的輔助觸點M0狀態(tài)就成ON的狀態(tài)，它表征著機械手目下的狀態(tài)正在原位的位置。要是開始執(zhí)行現(xiàn)有的用戶程序代碼，此時，輔助觸點M8002的狀態(tài)位ON，機械手的控制就會存在手動的狀態(tài)或者是回到原位，此時，X0、X1的狀態(tài)值均為ON的狀態(tài)。因此，當(dāng)初始的步驟所能夠?qū)?yīng)的輔助觸點M10就會被置位，目的是能夠在進入單步等各個工作模式提前做好預(yù)備。當(dāng)輔助觸點M0的狀態(tài)值為OFF的狀態(tài)時，M10就會發(fā)生被復(fù)位，整體的機械手動作也就不會執(zhí)行單步等工作模式。在該段程序里的代碼ZRST（FNC40）表示的是進行批量復(fù)位的操作，當(dāng)輸入X0的狀態(tài)位ON的狀態(tài)時，對將M11～M18的狀態(tài)進行復(fù)位，從而能夠防止機械手的控制從自動變到了手動工作模式。

圖2 公用程序

（3）手動程序設(shè)計。圖3顯示的是“手動程序”的梯形圖，設(shè)計中使用輸入X10～X15來對應(yīng)各個程序步驟中的手動按鈕，主要包括上下左右等動作形式。當(dāng)人工按下具有不同的控制功能的按鈕后，機械手就會相應(yīng)的執(zhí)行不同的動作形式。同時，在程序中還需要串聯(lián)相應(yīng)的機械位置的位置開關(guān)，主要是規(guī)避機械手處在位置較低的時候會碰到其他東西。同時，也設(shè)置了聯(lián)鎖的功能形式來完成系統(tǒng)運行的保護。

圖3 手動程序

3.3 硬件實施

對于硬件實施來說，主要的工作要求將控制柜（臺）等相關(guān)配套的硬件進行設(shè)計安裝以及控制現(xiàn)場的施工。主要涵蓋：首先，需要對控制柜以及操作臺面各個電器之間的布置以及安裝接線關(guān)系進行設(shè)計畫圖。其次，設(shè)計機械手控制設(shè)計的系統(tǒng)各組成部分之間的電氣連接圖。最后依照相應(yīng)的工程圖紙進行現(xiàn)場的施工接線，完成后要經(jīng)過詳細(xì)的測試。

4 結(jié)語

在這次的設(shè)計中，本文主要涉及對機械手進行自動控制的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。首先，分析搬運機器人控制系統(tǒng)，以獲得機器人控制的基本過程和基本控制要求。然后，根據(jù)基本過程和控制要求執(zhí)行PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。第一步，根據(jù)I/O接口數(shù)等對PLC的選型；第二步，根據(jù)控制要求等對電氣元件進行選擇，得到控制系統(tǒng)的電氣原理圖。最后，設(shè)計程序。第一步是表達(dá)本文的PLC程序設(shè)計思想。第二步是設(shè)計控制系統(tǒng)的主程序。接下來，將步進控制程序，單周期控制子程序，連續(xù)控制子程序和自動模式下的手動操作控制子程序分別設(shè)計為程序。