張應(yīng)金（1973－）
男，漢族，現(xiàn)任河南化學(xué)工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校助理講師。（河南化學(xué)工業(yè)高級(jí)技工技校，河南 開封  475002 ），研究方向?yàn)槁毥屉姽ぁ㈦娮訉W(xué)。

摘要：機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它可在空間抓、放、搬運(yùn)物體等，動(dòng)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(jī)械手能實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)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(jī)械手搬運(yùn)控制中的應(yīng)用，并給出了詳細(xì)的PLC程序設(shè)計(jì)過(guò)程。該程序已在工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求

    如圖1所示是一個(gè)將工件由A處傳送到B處的機(jī)械手示意圖，機(jī)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(dòng)氣缸完成。其中上升與下降對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為YV1與YV2，左行、右行對(duì)應(yīng)電磁閥的線圈分別為YV3與YV4。當(dāng)某個(gè)電磁閥線圈通電，就一直保持現(xiàn)有的機(jī)械動(dòng)作，直到相對(duì)的另一線圈通電為止。氣動(dòng)機(jī)械手的夾緊、松開的動(dòng)作由只有一個(gè)線圈的兩位電磁閥驅(qū)動(dòng)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(shí)的工件跌落。機(jī)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(guò)一定的延時(shí)來(lái)表示其夾持動(dòng)作的完成。機(jī)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(jī)械手的原位。

    機(jī)械手的操作面板分布情況如圖2所示，機(jī)械手具有手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)和回原位五種工作方式，用開關(guān)SA進(jìn)行選擇。手動(dòng)工作方式時(shí)，用各操作按鈕（SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11）來(lái)點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作；單步工作方式時(shí)，每按一次起動(dòng)按鈕（SB3），向前執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期工作方式時(shí)，機(jī)械手在原位，按下起動(dòng)按鈕SB3，自動(dòng)地執(zhí)行一個(gè)工作周期的動(dòng)作，最后返回原位（如果在動(dòng)作過(guò)程中按下停止按鈕SB4，機(jī)械手停在該工序上，再按下起動(dòng)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(shí)，機(jī)械手在原位，按下起動(dòng)按鈕（SB3），機(jī)械手就連續(xù)重復(fù)進(jìn)行工作（如果按下停止按鈕SB4，機(jī)械手運(yùn)行到原位后停止）；返回原位工作方式時(shí)，按下“回原位”按鈕SB11，機(jī)械手自動(dòng)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(gè)輸入設(shè)備和5個(gè)輸出設(shè)備分別占用PLC的18個(gè)輸入點(diǎn)和5個(gè)輸出點(diǎn)。為了保證在緊急情況下（包括PLC發(fā)生故障時(shí)），能可靠地切斷PLC的負(fù)載電源，設(shè)置了交流接觸器KM。在PLC開始運(yùn)行時(shí)按下“電源”按鈕SB1，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點(diǎn)接通，給輸出設(shè)備提供電源；出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下“急停”按鈕SB2，KM觸點(diǎn)斷開電源。

圖3   PLC的I/O接線圖圖



圖4 機(jī)械手系統(tǒng)PLC梯形圖的總體結(jié)構(gòu)

3  PLC程序設(shè)計(jì)

    3.1 程序的總體結(jié)構(gòu)

    如圖4所示為機(jī)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(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序四個(gè)部分，其中自動(dòng)程序包括單步、單周期和連續(xù)工作的程序，這是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將它們合在一起編程更加簡(jiǎn)單。梯形圖中使用跳轉(zhuǎn)指令使得自動(dòng)程序、手動(dòng)程序和回原位程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動(dòng)”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時(shí)PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過(guò)自動(dòng)程序到P0處，由于X0常閉觸點(diǎn)為斷開，故執(zhí)行“手動(dòng)程序”，執(zhí)行到P1處，由于X1常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過(guò)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(guò)自動(dòng)程序和手動(dòng)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(shí)執(zhí)行完自動(dòng)程序后，跳過(guò)手動(dòng)程序和回原位程序。

    3.2 各部分程序的設(shè)計(jì)  

    （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(diǎn)和表示機(jī)械手松開的Y4的常開觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機(jī)械手在原位。

    公用程序用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，必須將除初始步以外的各步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器（M11-M18）復(fù)位，同時(shí)將表示連續(xù)工作狀態(tài)的M1復(fù)位，否則當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式，然后又返回自動(dòng)工作方式時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有兩個(gè)活動(dòng)步的異常情況，引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。

    當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)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(dòng)狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài)（X0或X1為ON）時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的M1O將被置位，為進(jìn)入單步、單同期和連續(xù)工作方式作好準(zhǔn)備。如果此時(shí)M0為OFF狀態(tài)，M1O將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)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(dòng)程序

    （2）手動(dòng)程序

    手動(dòng)程序如圖6所示，手動(dòng)工作時(shí)用X14～X21對(duì)應(yīng)的6個(gè)按鈕控制機(jī)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(yùn)行，在手動(dòng)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(diǎn)與控制左、右行的 Y2和 Y3的線圈串聯(lián)，使得機(jī)械手升到最高位置才能左右移動(dòng)，以防止機(jī)械手在較低位置運(yùn)行時(shí)與別的物體碰撞。 

    （3）自動(dòng)程序

    如圖7所示為機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)程序的功能表圖。使用通用指令的編程方式設(shè)計(jì)出的自動(dòng)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(shí)，X2的常閉觸點(diǎn)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(diǎn)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(shí)X3為ON， X1和X2的常閉觸點(diǎn)閉合，M2為ON，允許轉(zhuǎn)換。在初始步時(shí)按下起動(dòng)按鈕X5，在M11的電路中，M1O、X5、M2的常開觸點(diǎn)和X12的常閉觸點(diǎn)均接通，使M11為ON，系統(tǒng)進(jìn)入下降步，Y1為ON，機(jī)械手下降；機(jī)械手碰到下限位開關(guān)X11時(shí)，M12變?yōu)镺N，轉(zhuǎn)換到夾緊步，Y4被復(fù)位，工件被夾緊；同時(shí)TO得電，2s以后TO的定時(shí)時(shí)間到，其常開觸點(diǎn)接通，使系統(tǒng)進(jìn)入上升步。系統(tǒng)將這樣一步一步地往下工作，當(dāng)機(jī)械手在步M18返回最左邊時(shí)，X4為ON，因?yàn)榇藭r(shí)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(dòng)按鈕X5，與單周期工作方式時(shí)相同，M11變?yōu)镺N，機(jī)械手下降，與此同時(shí)，控制連續(xù)工作的M1為ON，往后的工作過(guò)程與單周期工作方式相同。當(dāng)機(jī)械手在步M18返回最左邊時(shí)，X12為ON，因?yàn)镸1為ON，轉(zhuǎn)換條件M7·X4滿足，系統(tǒng)將返回步M11，反復(fù)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(huì)立即停止工作，在完成當(dāng)前工作周期的全部動(dòng)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(dòng)程序的功能表圖



圖8   自動(dòng)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(jì)時(shí)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(dòng)程序（圖6）、自動(dòng)程序（圖8）和回原位程序（圖9）按照機(jī)械手程序總體結(jié)構(gòu)（圖4）綜合起來(lái)即為機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC程序。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文介紹了日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR型的PLC在機(jī)械手搬運(yùn)控制中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。說(shuō)明了機(jī)械手動(dòng)作的程序設(shè)計(jì)方法。本文介紹的程序已在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了成功的應(yīng)用。

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