1 摘要 機械手 技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。 本次設計采 日本三菱公司生產的 FX2N 系列可編程控制器 對機械手進行運動控制 ，根據機械手的運動規律：左右、上下、夾松等進行軟件編程。 PLC 有如下特點：高可靠性、 豐富的 I/O 接口模塊 、 采用模塊化結構 、 編程簡單易學 、 安裝簡單，維修方便 等。 本設計中 PLC 實現的功能 有： 開關量的邏輯控制 、 運動控制 、 現場數據采集處理 、 位置控制 等。 此次機械手的 PLC 控制設計包括：機械手傳送工件系統、 輸入和輸出點分配表 、 原理接線圖 、 操作系統 、 機械手傳送系統梯形圖 、 指令語句表 。 首先， 機械手傳送工件系統 通過示意圖 闡述了 其作用是將工件從點傳遞到點。機械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅動液壓缸來完成，其中上升與下降對應電磁閥的線圈分別為 YV3 與 YV1，左行、右行對應電磁閥的線圈分別為 YV5 與 YV4。 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動的液壓缸完成，線圈 (YV2)通電夾住工件，線圈 (YV2)斷電，松開工件。機械手的工 作臂都設有下、上限位和右、左限位的位置開關 SQ1、 SQ2和 SQ3、 SQ4，夾持裝置不帶限位開關，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、最左邊的狀態為機械手的原位。 這里還說明了 操作面板上各旋鈕、按鈕的作用。 其次， 輸入和輸出點分配表 指出此次設計 選用 FX2N-40MR 的 PLC，系統共有16 個輸入設備和 6 個輸出設備分別占用 PLC 的 16 個輸入點和 6 個輸出點 。具體 2 分配請查看表 1。 再次， 原理接線圖 表明了 I/O 口的連接關系。 然后， 操作系統 中 包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續操作程序，如圖 4 所示，此操作系統的原理在文中有細致說明。 回原點程序 如圖 5 所示。用S10S12 作回零操作元件。當用 S10S19 作回零操作時，在最后狀態中在自我復位 前應使特殊繼電器 M8043 置 1；手動單步操作程序 如圖 6 所示上升 /下降，左移 /右移都有聯鎖和限位保護； 自動連續操作程序 中對自動操作狀態轉移順序功能圖做出了具體的說明。 接下來是機械手傳送系統梯形圖，如圖 8 所示。圖中從第 0 行到第 27 行為回原位狀態程序。從第 28 行到第 66 行，為手動單步操作程序。從第 67 行到第129 行為自動操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）是圖 4 的操 作系統運行的。 最后是指令語句表是對梯形圖的補充。 機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置 ， 機械手在工業生產中得到廣泛的應用 。 傳統工藝中采用繼電器控制時，需要的繼電器多 ， 線復雜，因此故障多，維修困難，費時費工，不僅加大了成本，而且影響設備的工效。采用梯形控制直觀易懂，為電氣人員所熟悉；采用 PLC控制使接線 簡化，安裝方便，而且保證運行的可靠性，減少維修量，提高了工效。 3 目錄 摘要 . 1 目錄 . 3 P L C 控制機械 手 設 計 . 4 1. 引言 . 4 2. PLC 特點 . 4 3. 本設計中 PLC 實現的功能 . 6 4. 機械手傳送工件系統 . 6 5. 輸入和輸出（ I/O）點分配表 . 8 6. 原理接線圖 . 10 7. 操作系統 . 11 8. 機械手傳送系統梯形圖 . 15 9. 指令語句表 . 18 10. 結論 . 21 11. 參考文獻 . 21 4 P L C 控 制 機 械 手 設 計 1. 引言 可編程控制器（以下簡稱 PLC）從其產生到現在，實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步；其應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的 PLC 在處理模擬 量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業控制領域的主流控制設備，在各行各業發揮著越來越大的作用。 PLC 是基于電子計算機，且適用于工業現場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現控制，而主要靠運行存儲于 PLC 內存中的程序，進行入出信息變換實現控制 。 PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而 PLC 則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考 慮怎么適應于工業環境，如便于安裝，抗干擾等問題。 機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。 本次設計采 日本三菱公司生產的 FX2N 系 列可編程控制器 對 機械手進行運動控制 ，根據機械手的運動規律：左右、上下、夾松等進行軟件編程。 2. PLC 特點 2.1 高可靠性 5 (1) 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與 PLC 內部電路之間電氣上隔離。 (2) 各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數一般為 1020ms. (3) 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 (4) 采用性能優良的開關電源。 (5) 對采用的器件進行嚴格的篩選。 (6) 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟 、 硬件發生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 (7) 大型 PLC還可以采用由雙 CPU構成冗余系統或有三 CPU構 成表決系統 ,使可靠性更進一步提高。 2.2 豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業現場信號，如：交流或直流 、 開關量或模擬量 、 電壓或電流 、 脈沖或電位 、 強電或弱電等。有相應的 I/O 模塊與工業現場的器件或設備，如：按鈕 、 行程開關 、 接近開關 、 傳感器及變送器 、 電磁線圈 、 控制閥等直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 -機對話的接口模塊 ； 為了組成工業局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊 等等。 2.3 采用模塊化結構 為了適應各種工業控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數 PLC均采用模塊化結構。 PLC 的各個部件，包括 CPU、 電源 、 I/O 等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規模和功能可根據用戶的需要自行組合。 2.4 編程簡單易學 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式 。 對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 2.5 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與 PLC 相應的 I/O 端相 連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行 6 和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。 3. 本設計中 PLC 實現的功能 1. 開關量的邏輯控制 這是 PLC最基本、最廣泛的應用領域 ,它取代傳統的繼電器電路 ,實現 組合 邏輯控制、順序 邏輯 控制 與定時控制。 2. 運動控制 PLC使用專用的指令或運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進行控制，使運動控制與順序控制功能有機結合在一起。 3. 現場數據采集處理 目前 PLC都具有數據處理指令、數據傳送指令、算術與邏輯運算指令和循環位移與移位指令，所以由 PLC構成的監控系統，可以方便地對生產現場的數據進行采集、分析和加工處理。數據處理通常應用于機械手的控制系統中。 4. 位置控制 位置控制是指 PLC 使用專用的位置控制模塊來控制步進電動機或伺服電動機，從而實現對各種機械構件的運動控制，如控制構件的速度、位移、運動方向等。機械手的位置控制就是 PLC 的位置控制的典型應用 。 4. 機械手 傳送工件系統 如圖 1 所示是一臺工件傳送的機械手的動作示意圖，其作用是將工件從點傳遞到點。機 械手的升降和左右移行作分別由兩個具有雙線圈的兩位電磁閥驅動液壓缸來完成，其中上升與下降對應電磁閥的線圈分別為 YV3 與 YV1，左行、右行對應電磁閥的線圈分別為 YV5 與 YV4。一旦電磁閥線圈通電，就一直保持現有的動作，直到相對的另一線圈通電為止。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動的液壓缸完成，線圈 (YV2)通電夾住工件，線圈 (YV2)斷電，松開工件。機械手的工作臂都設有下、上限位和右、左限位的位置開關SQ1、 SQ2 和 SQ3、 SQ4，夾持裝置不帶限位開關，它是通過一定的延時來表示其 7 夾持動作的完 成。機械手在最上面、最左邊的狀態為機械手的原位。 圖 1 機械手傳送示意 機械手的操作面板分布情況如圖 2 所示，機械手具有手動、自動和回原位 8 五種工作方式，用開關 SA 進行選擇。 手動工作方式時，用各操作按鈕（ SB1、 SB2、SB3、 SB4、 SB5、 SB6、 SB7、 SB8、 SB9、 SB10、 SB11）來點動執行相應的各動作；自動工作方式時，動作將自動執行；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。 圖 2 機械手操作面板 5. 輸入 和輸出（ I/O） 點分配表 PLC 是一種工業控制 系統，它的控制對象是工業生產設備或工業生產過程，工作環境是工業生產現場。它與工業生產過程的聯系是通過 I/O 接口模塊來實現的。 通過 I/O 接口模塊可以檢測被控生產過程的各種參數，并以這些現場數據作為控制信息對被控對象進行控制。同時通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結果送給被控設備或工業生產過程，從而驅動各種執行機構來實現控制。 PLC 從現場收集的信息及輸出給外部設備的控制信號都需經過一定距離，為了確保這些信息的正確無誤， PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。 此次設計 選用 FX2N-40MR 的 PLC，系統共有 16 個輸入設備和 6 個輸出設備分別占用 PLC 的 16 個輸入點和 6 個輸出點 。 具體 分配 見表 1。 9 表 1 機械手傳送系統輸入和輸出點分配表 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸入 名 稱 代號 輸出 啟動 SB1 X0 夾緊 SB5 X10 電磁閥下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 電磁閥夾緊 YV2 Y1 上限行程 SQ2 X2 單步上升 SB7 X12 電磁閥上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 單步下降 SB8 X13 電磁閥右行 YV4 Y3 左 限行程 SQ4 X4 單步左移 SB9 X14 電磁閥左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 原點指示 EL Y5 手動操作 SB3 X6 回原點 SB11 X16 連續操作 SB4 X7 工件檢測 SQ5 X17 10 6. 原理接線圖 圖 3 I/O 接線圖 11 7. 操作系統 操作系統包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續操作程序，如圖 4所示。 圖 4 機械手操作系統程序梯形圖 其原理是： 把旋鈕置于 回原點， X16 接通，系統自動回原點， Y5 驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則 X6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（ CJ 為一跳轉指令，如果 CJ 驅動，則跳到指針 P 所指 P0 處），執行手動程序。之后，由于X7 常閉觸點，當執行 CJ 指令時，跳轉到 P1 所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既 X6 常閉閉合、 X7 常閉打開）則程序執行時跳過手動程序，直接執行自動程序。 12 7.1 回原點程序 回原位程序如圖 5 所示。用 S10S12 作回零操作元件。 請 注意，當用 S10S19作回零操作時，在最后狀態中在自我復位前應使特殊繼電器 M8043 置 1。 圖 5 回原位狀態轉移順序功能圖 13 7.2 手動單步操作程序 如圖 6 所示。圖中上升 /下降，左移 /右移都有聯鎖和限位保護。 圖 6 手動單步操作程序梯形圖 14 7.3 自動操作程序 圖 7 自動操作狀態轉移順序功能圖 15 自動操作狀態轉移順序功能圖的說明： 自動操作狀態轉移見圖 7 所示。當機械手處于原位時，按啟動 X0 接通，狀態轉移到 S20，驅動下降 Y0，當到達下限位使行程開關 X1 接通，狀態轉移到 S21，而 S20 自動復位。 S21 驅動 Y1 置位，延時 1 秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當 T0 接通，狀態 轉移到 S22，驅動 Y2 上升，當上升到達最高位， X2 接通，狀態轉移到 S23。 S23 驅動 Y3 右移。 移到最右位， X3 接通，狀態轉移到 S24 下降。下降到最低位， X1 接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時 1 秒。延時時間到， T1 接通，狀態轉移到 S26 上升。上升到最高位， X2 接通，狀態轉移到 S27 左移。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始狀態，再開始第二次循