張應(yīng)金（1973－）
男，漢族，現(xiàn)任河南化學工業(yè)高級技工學校助理講師。（河南化學工業(yè)高級技工技校，河南 開封  475002 ），研究方向為職教電工、電子學。

摘要：機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它可在空間抓、放、搬運物體等，動作靈活多樣，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)。應(yīng)用PLC控制機械手能實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。本文以日本三菱FX2N-48MR型的PLC為基礎(chǔ)，介紹PLC在機械手搬運控制中的應(yīng)用，并給出了詳細的PLC程序設(shè)計過程。該程序已在工業(yè)機械手中獲得了廣泛應(yīng)用，具有穩(wěn)定、可靠的性能。

關(guān)鍵詞：PLC；機械手；控制；應(yīng)用

Abstract: The manipulator is a new device developed in the mechanized, automatic production process. It can grab, put and carry object, etc. in the space. Because of its flexiblility, the manipulator is widely used in industrial producing and other fields. Manipulator with PLC control can complete various specified procedural actions. Not only can it enhance quality and output, but also it is meaningful to ensure the personal security, improve the working environment, lower labour intensity, raise labour productivity, save the raw materials consumption and reduce the production cost. Based on the PLC of Japanese Mitsubishi FX2N-48MR type, this paper introduces PLC application in manipulator transportation control system, and provides PLC programming process in detail. This program which performs stably and reliably has been extensively applied to industrial manipulators.

Key words: PLC；Manipulator；Control；Application

1 機械結(jié)構(gòu)和控制要求

    如圖1所示是一個將工件由A處傳送到B處的機械手示意圖，機械手的上升/下降和左移/右移的執(zhí)行用雙線圈二位電磁閥推動氣缸完成。其中上升與下降對應(yīng)電磁閥的線圈分別為YV1與YV2，左行、右行對應(yīng)電磁閥的線圈分別為YV3與YV4。當某個電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機械動作，直到相對的另一線圈通電為止。氣動機械手的夾緊、松開的動作由只有一個線圈的兩位電磁閥驅(qū)動的氣缸完成，線圈(YV5)斷電夾住工件，線圈(YV5)通電，松開工件，以防止停電時的工件跌落。機械手的工作臂都設(shè)有上、下限位和左、右限位的位置開關(guān)SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夾持裝置不帶限位開關(guān)，它是通過一定的延時來表示其夾持動作的完成。機械手在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈(YV5)通電外其它線圈全部斷電的狀態(tài)為機械手的原位。

    機械手的操作面板分布情況如圖2所示，機械手具有手動、單步、單周期、連續(xù)和回原位五種工作方式，用開關(guān)SA進行選擇。手動工作方式時，用各操作按鈕（SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）來點動執(zhí)行相應(yīng)的各動作；單步工作方式時，每按一次起動按鈕（SB3），向前執(zhí)行一步動作；單周期工作方式時，機械手在原位，按下起動按鈕SB3，自動地執(zhí)行一個工作周期的動作，最后返回原位（如果在動作過程中按下停止按鈕SB4，機械手停在該工序上，再按下起動按鈕SB3，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位）；連續(xù)工作方式時，機械手在原位，按下起動按鈕（SB3），機械手就連續(xù)重復進行工作（如果按下停止按鈕SB4，機械手運行到原位后停止）；返回原位工作方式時，按下“回原位”按鈕SB11，機械手自動回到原位狀態(tài)。

2  LC的I/O分配

    如圖3所示為PLC的I/O接線圖，選用FX2N-48MR的PLC，系統(tǒng)共有18個輸入設(shè)備和5個輸出設(shè)備分別占用PLC的18個輸入點和5個輸出點。為了保證在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時），能可靠地切斷PLC的負載電源，設(shè)置了交流接觸器KM。在PLC開始運行時按下“電源”按鈕SB1，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給輸出設(shè)備提供電源；出現(xiàn)緊急情況時，按下“急停”按鈕SB2，KM觸點斷開電源。

圖3   PLC的I/O接線圖圖



圖4 機械手系統(tǒng)PLC梯形圖的總體結(jié)構(gòu)

3  PLC程序設(shè)計

    3.1 程序的總體結(jié)構(gòu)

    如圖4所示為機械手系統(tǒng)的PLC梯形圖程序的總體結(jié)構(gòu)，將程序分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序四個部分，其中自動程序包括單步、單周期和連續(xù)工作的程序，這是因為它們的工作都是按照同樣的順序進行，所以將它們合在一起編程更加簡單。梯形圖中使用跳轉(zhuǎn)指令使得自動程序、手動程序和回原位程序不會同時執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X0常閉觸點為斷開，故執(zhí)行“手動程序”，執(zhí)行到P1處，由于X1常閉觸點為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處；假設(shè)選擇分“回原位”方式，則X0為OFF、X1為ON，跳過自動程序和手動程序執(zhí)行回原位程序；假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X0、X1均為OFF，此時執(zhí)行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序。

    3.2 各部分程序的設(shè)計  

    （1）公用程序

    公用程序如圖5所示，左限位開關(guān)X12、上限位開關(guān)X10的常開觸點和表示機械手松開的Y4的常開觸點的串聯(lián)電路接通時，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機械手在原位。

    公用程序用于自動程序和手動程序相互切換的處理，當系統(tǒng)處于手動工作方式時，必須將除初始步以外的各步對應(yīng)的輔助繼電器（M11-M18）復位，同時將表示連續(xù)工作狀態(tài)的M1復位，否則當系統(tǒng)從自動工作方式切換到手動工作方式，然后又返回自動工作方式時，可能會出現(xiàn)同時有兩個活動步的異常情況，引起錯誤的動作。

    當機械手處于原點狀態(tài)（M0為ON），在開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動狀態(tài)或回原點狀態(tài)（X0或X1為ON）時，初始步對應(yīng)的M1O將被置位，為進入單步、單同期和連續(xù)工作方式作好準備。如果此時M0為OFF狀態(tài)，M1O將被復位，初始步為不活動步，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。

圖5 公用程序



圖6 手動程序

    （2）手動程序

    手動程序如圖6所示，手動工作時用X14～X21對應(yīng)的6個按鈕控制機械手的上升、下降、左行、右行、松開和夾緊。為了保證系統(tǒng)的安全運行，在手動程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖，例如上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖；上升、下降、左行、右行的限位；上限位開關(guān)X10的常開觸點與控制左、右行的 Y2和 Y3的線圈串聯(lián)，使得機械手升到最高位置才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時與別的物體碰撞。 

    （3）自動程序

    如圖7所示為機械手系統(tǒng)自動程序的功能表圖。使用通用指令的編程方式設(shè)計出的自動程序如圖8所示。

    系統(tǒng)工作在連續(xù)、單周期（非單步）工作方式時，X2的常閉觸點接通，使M2（轉(zhuǎn)換允許）ON，串聯(lián)在各步電路中的M2的常開觸點接通，允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。

    假設(shè)選擇的是單周期工作方式，此時X3為ON， X1和X2的常閉觸點閉合，M2為ON，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時按下起動按鈕X5，在M11的電路中，M1O、X5、M2的常開觸點和X12的常閉觸點均接通，使M11為ON，系統(tǒng)進入下降步，Y1為ON，機械手下降；機械手碰到下限位開關(guān)X11時，M12變?yōu)镺N，轉(zhuǎn)換到夾緊步，Y4被復位，工件被夾緊；同時TO得電，2s以后TO的定時時間到，其常開觸點接通，使系統(tǒng)進入上升步。系統(tǒng)將這樣一步一步地往下工作，當機械手在步M18返回最左邊時，X4為ON，因為此時不是連續(xù)工作方式， M1處于OFF狀態(tài)，轉(zhuǎn)換條件·X12滿足，系統(tǒng)返回并停留在初始步M10。

    在連續(xù)工作方式，X4為ON，在初始狀態(tài)按下起動按鈕X5，與單周期工作方式時相同，M11變?yōu)镺N，機械手下降，與此同時，控制連續(xù)工作的M1為ON，往后的工作過程與單周期工作方式相同。當機械手在步M18返回最左邊時，X12為ON，因為M1為ON，轉(zhuǎn)換條件M7·X4滿足，系統(tǒng)將返回步M11，反復連續(xù)地工作下去。按下停止按鈕X6后，M1變?yōu)镺FF，但是系統(tǒng)不會立即停止工作，在完成當前工作周期的全部動作后，在步M18返回最左邊，左限位開關(guān)X12為ON，轉(zhuǎn)換條件·X12滿足，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。

圖7   自動程序的功能表圖



圖8   自動程序

    3.3 程序綜合與模擬調(diào)試

    由于在各部分程序設(shè)計時已經(jīng)考慮各部分之間的相互關(guān)系，因此只要將公用程序（圖5）、手動程序（圖6）、自動程序（圖8）和回原位程序（圖9）按照機械手程序總體結(jié)構(gòu)（圖4）綜合起來即為機械手控制系統(tǒng)的PLC程序。

    模擬調(diào)試時各部分程序可先分別調(diào)試，然后再進行全部程序的調(diào)試，也可直接進行全部程序的調(diào)試。

4 結(jié)束語

    本文介紹了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR型的PLC在機械手搬運控制中的設(shè)計應(yīng)用。說明了機械手動作的程序設(shè)計方法。本文介紹的程序已在實際生產(chǎn)中獲得了成功的應(yīng)用。

參考文獻

    [1]李全利.可編程控制器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005,134-149.

    [2]成大光.機械設(shè)計手冊〔S〕.北京:化學工業(yè)出版社,2000.146-153.

    [3]程光蘊.機械設(shè)計〔M〕.北京:高教出版社,1999.113-156.