引言

    機(jī)械手在自動(dòng)化車間中用來運(yùn)送物料，從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作，可將操作工人從繁重、單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)中解放出來。特別是在高溫、危險(xiǎn)、有害的作業(yè)環(huán)境(放射性、有毒氣體、粉塵、易燃、易爆、強(qiáng)噪聲等)中，可用機(jī)械手代替人的部分操作。目前，機(jī)械手已廣泛應(yīng)用于鑄造、鍛造、沖壓、切削加工、噴漆、裝配等各種工藝過程中。本文介紹一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)和液壓缸組成，采用PLC控制的機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及動(dòng)作

    本機(jī)械手用于生產(chǎn)線上工件的自動(dòng)搬運(yùn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由A、B兩個(gè)液壓缸完成工件的夾緊和提升的動(dòng)作。A缸通過一個(gè)單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松。B缸通過一個(gè)雙電兩位四通電磁換向閥控制機(jī)械手的升降；由小車實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的移動(dòng)。該小車用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，一臺(tái)是高速，一臺(tái)是慢速。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)以慢—快一隉的形式行進(jìn)，返回時(shí)以慢—快一慢的形式后退。當(dāng)工件從輸送帶輸送到機(jī)械手的下方時(shí)，工件碰壓行程開關(guān)SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動(dòng)機(jī)械手下降，下降至終點(diǎn)碰壓行程開關(guān)SQ3，與機(jī)械手夾鉗相聯(lián)的A缸活塞桿收進(jìn)．機(jī)械手將工件夾緊；當(dāng)工件夾緊到位時(shí)，行程開關(guān)SQ5動(dòng)作，B缸的活塞桿收進(jìn)，把工件提升；當(dāng)工件提升至最高位置時(shí)碰壓行程開關(guān)SQ4，啟動(dòng)小車向右慢速行走；當(dāng)小車碰壓行程開關(guān)SQ7時(shí)，轉(zhuǎn)為快速行走；接近終點(diǎn)時(shí)，小車碰壓行程開關(guān)SQ8，轉(zhuǎn)為慢速行走；行至右邊終點(diǎn)碰壓行程開關(guān)SQ9，小車停止前進(jìn)；停留5秒后，B缸活塞桿再次外伸，機(jī)械手下降至終點(diǎn)，A缸活塞桿外伸，動(dòng)夾鉗松開，將工件放下；然后，機(jī)械手上升，小車以慢一快一慢的運(yùn)動(dòng)形式沿原路返回，恢復(fù)到圖中所示的原點(diǎn)位置。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)。主電路中有二臺(tái)電動(dòng)機(jī)，即慢速電機(jī)和快速電機(jī)，分別拖動(dòng)小車慢行和快行。其控制如下：慢速電動(dòng)機(jī)M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；快速電動(dòng)機(jī)M2由接觸器KM3、KM4分別控制其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)主要是PLC輸入、輸出接線圖的設(shè)計(jì),按照機(jī)械手控制和工藝流程的要求，科學(xué)地選擇控制方案．確定PLC型號(hào)和傳感器，合理地分配輸入、輸出點(diǎn)．得到圖2所示的PLC輸入、輸出接線圖。

圖2 PLC加接線不意圖

圖中，設(shè)置9個(gè)行程開關(guān)SQ1-SQ9用于檢測工件、小車、機(jī)械手的位置以及機(jī)械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。其中SQ1為工件是否到位檢測開關(guān)；SQ2為小車原位檢測開關(guān)；SQ3、SQ4分別為機(jī)械手下降、上升是否到位檢測開關(guān)；SQ5、SQ6分別為機(jī)械手夾緊、放松檢測開關(guān)；SQ7、SQ8分別為小車運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換開關(guān)；SQ9為小車運(yùn)動(dòng)停止開關(guān)。

為了便于生產(chǎn)加工和維修、調(diào)整,設(shè)置了工作方式選擇開關(guān)SA。當(dāng)開關(guān)置于“自動(dòng)”位時(shí)，從工件通過輸送帶輸送到機(jī)械手下方開始，到機(jī)械手將工件搬運(yùn)到指定位置卸下，并返回原位等待下一個(gè)工件到來，全部自動(dòng)進(jìn)行：置于“手動(dòng)”位時(shí)，通過按鈕SB1一SB7對(duì)機(jī)械手的升降，夾鉗的放松、夾緊，小車的進(jìn)退和運(yùn)動(dòng)速度等各動(dòng)作流程進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制。其中SB1、SB2分別為下降、上升按鈕；SB3為夾鉗放松按鈕；SB4、SB5分別為小車慢進(jìn)、慢退按鈕；SB6、SB7分別為小車快進(jìn)、快退按鈕。當(dāng)機(jī)械手在工作中途因停電或自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可點(diǎn)動(dòng)復(fù)位。

接觸器KM1～KM4的線圈接到PLC輸出端，控制小車的進(jìn)退和運(yùn)動(dòng)速度；電磁線圈YA1～YA3控制機(jī)械手的放松及升降運(yùn)動(dòng)。設(shè)置了指示燈HLl～HL8，用以指示機(jī)械手的升降、夾鉗的松緊、小車的進(jìn)退及運(yùn)動(dòng)快慢等工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    設(shè)備有“自動(dòng)／手動(dòng)”二種工作方式．其控制程序可分為自動(dòng)控制程序和手動(dòng)控制程序二個(gè)模塊。各模塊程序分開編寫，結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。分析可知，在“自動(dòng)”工作方式下，本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是以開關(guān)量作為轉(zhuǎn)移信號(hào)，按所設(shè)計(jì)的工藝流程一步一步地進(jìn)行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制，可選擇STL步進(jìn)順序控制方式。即采用步進(jìn)順控指令對(duì)其編程．可使程序簡化，提高編程效率，為程序的調(diào)試、試運(yùn)行帶來許多方便。當(dāng)機(jī)械手完成一個(gè)工件的搬移、小車返回原位，夾鉗處于放松狀態(tài)時(shí)。就為下一個(gè)工件的搬移作好了準(zhǔn)備。當(dāng)通過輸送帶輸送來的工件到位時(shí)，SQ1動(dòng)作，發(fā)出啟動(dòng)指令，進(jìn)入新一輪循環(huán)。YA1是單電兩位四通電磁閥的電磁線圈，為了安全．設(shè)計(jì)要求它在失電時(shí)機(jī)械手仍處于夾緊狀態(tài)．得電才張開機(jī)械手。所以，開機(jī)時(shí)用SET指令，將Y004置1，YA1便帶電，機(jī)械手是張開的。系統(tǒng)的自動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，很容易得到梯形圖程序，由于篇幅所限，在此不再贅述。

圖3 自動(dòng)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

手動(dòng)控制程序用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手升降、夾鉗放松、小車進(jìn)退和運(yùn)動(dòng)快慢的點(diǎn)動(dòng)控制和狀態(tài)指示。當(dāng)機(jī)械手工作中途停電或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可使機(jī)械手手動(dòng)復(fù)位。其梯形圖程序如圖4所示。

4 PC與PLC的聯(lián)網(wǎng)通信

    在自動(dòng)生產(chǎn)線上．各種用途的機(jī)械手和生產(chǎn)機(jī)械組成一個(gè)自動(dòng)工作系統(tǒng)，用上位計(jì)算機(jī)(PC)與生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC組成分布式控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互通信。工作人員可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，在不中斷生產(chǎn)的情況下，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)地對(duì)現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行修改、調(diào)整，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。還可在上位機(jī)上編程、監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行情況、進(jìn)行故障診斷、顯示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度，使設(shè)備潛力得到充分發(fā)揮。圖5是PC與一個(gè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的連接示意圖。在生產(chǎn)線上，可采用1：n上位鏈接通信方式，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)管理多臺(tái)設(shè)備。在上位計(jì)算機(jī)與PLC之間加一個(gè)RS232C／RS485的轉(zhuǎn)換器，用于鏈接計(jì)算機(jī)的RS232C串行口和PLC的RS485通信適配器，可增大通信距離。

5 結(jié)束語

    本文創(chuàng)新點(diǎn)是：針對(duì)本機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)和液壓缸組成及順序工作特點(diǎn)，系統(tǒng)采用PLC控制，運(yùn)用步進(jìn)順控編程，簡化程序，且便于調(diào)試。通過PLC本身通信接口，與上位計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地對(duì)現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、修改、調(diào)整，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。相對(duì)其它控制方式，具有很高的可靠性、較好的性價(jià)比、較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性，提高了生產(chǎn)效率，在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行良好。