0 引言

　　機械手是一種能自動定位控制并可重新編程改變的多功能機器。它有多個自由度，可用來搬運工件么完成在各個不同環(huán)境中工作。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件。機械手系統(tǒng)最核心的部分是執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其執(zhí)行機構(gòu)一般由液壓、氣動或電機來完成。這里我們介紹基于FX系列的PLC來實現(xiàn)對自動生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機械手的控制。

1 系統(tǒng)的組成及其工作過程

　　如圖1所示，自動生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機械手是由傳送小車與三軸旋轉(zhuǎn)機械手裝置組成。它能完成進退、旋轉(zhuǎn)、伸縮、升降動作。傳送小車與傳輸軌道組成，采用有軌運行方式，作為各站的傳送樞紐，三軸旋轉(zhuǎn)機械手具有多工位旋轉(zhuǎn)可伸縮可升降特點，通過中央控制系統(tǒng)進行有效合理的任務(wù)調(diào)度，也可單獨進行手動調(diào)度。小車直線運行，能準確停到各工作站點，同時能對停靠各站進行上、下工件的取放操作;設(shè)有硬件急停功能確保系統(tǒng)設(shè)備安全。四自由度旋轉(zhuǎn)機械手的執(zhí)行機構(gòu)是由氣動與電機來完成。四自由度旋轉(zhuǎn)機械手終端是1個氣動夾爪，可以實現(xiàn)抓和放的動作，由1個雙作用氣缸和1個雙電控電磁閥來完成控制;氣動夾爪安裝在1個水平方向的雙作用氣缸上，能實現(xiàn)伸出和縮回動作，方向的控制由1個雙電控的電磁閥來完成;水平方向的氣缸又安裝在1個垂直方向的升降氣缸上，能實現(xiàn)上升和下降動作，垂直氣缸由i個單電控的電磁閥完成;機械手旋轉(zhuǎn)是由直流步進電機驅(qū)動，傳送小車的驅(qū)動是由交流步進電機完成。因此機械手的升降、伸縮及抓取分別由3個氣缸完成，進退與旋轉(zhuǎn)由2個電機完成。整個機械手的控制，是通過向系統(tǒng)提供符合要求的開關(guān)信號來實現(xiàn)的。系統(tǒng)的硬件主要由電氣動驅(qū)動系統(tǒng)和PhC控制系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)主要通過PLC的編程實現(xiàn)。其氣動系統(tǒng)原理圖見圖2a。

圖1 旋轉(zhuǎn)機械手結(jié)構(gòu)

圖2旋轉(zhuǎn)機械手氣動原理

　　本機械手功能是將一邊的工件搬到另一邊，如將一條生產(chǎn)線的工件搬到另一條生產(chǎn)線，或?qū)⒁粋€工作站的工件搬到另一個工作站，工作順序為:(上電)→復(fù)位→(啟動)，前進到工作站點→順時針旋轉(zhuǎn)的90°→伸出→下降→抓工件→上升→縮回→逆時針旋轉(zhuǎn)的90°→前進到Z作站點2→逆時針旋轉(zhuǎn)的90°→伸出→下降→放工件→上升→縮回→順時針旋轉(zhuǎn)的90°→后退到原點斗循環(huán)。

2 系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，本系統(tǒng)選用FX2N-48MR型可編程控制器?？梢越Y(jié)合實際的工程要求在工作現(xiàn)場調(diào)整控制程序，實現(xiàn)機械手的不同動作，實現(xiàn)了機械手柔性化設(shè)計。

　　2.1 機械手系統(tǒng)與PLC的I/O表(見表1)

　　2.2 軟件設(shè)計

　　機械手控制要求是:設(shè)復(fù)位狀態(tài)為小車停在原點、仲縮氣缸縮回、氣爪放松、旋轉(zhuǎn)機械手臂為零度方向。因此上電后復(fù)位就是需要傳送小車后退到原點、縮回至后極限、放松氣爪、旋轉(zhuǎn)機械手臂為零度方向，特別是旋轉(zhuǎn)機械手臂的初始位置要調(diào)整好，按下啟動按鈕后，傳送小車前進，前進到_仁作站點1,到達位置后，機械手順時針旋轉(zhuǎn)90°,到位后機械手伸出至前極限，下降至下極限點，此處由個單電控的電磁閥完成，所以在一卜一個動作取工件時要保持下降，接下來的動作是機械手上升至匕極限，然后縮回至后極限，接著機械手逆時針旋轉(zhuǎn)90°，抓住工件前進到工作站點2，機械手逆時針旋轉(zhuǎn)的90°，伸出，下降，保持下降并將氣動夾爪打開放工件，完成工件的搬運工作，接著機械手先上升至上極限，然后縮回至后極限，機械手順時針旋轉(zhuǎn)90°回到初始旋轉(zhuǎn)位，然后傳送小.車后退到原點。至此，氣動機械手完成一個_仁作周期，可返回進行下一個循環(huán)。這里，我們注意到機械手都要在縮回后再旋轉(zhuǎn)，這時為了避免懸臂梁過長而造成干涉或者機械的笨重。

　　傳送小車的進退及機械手臂的旋轉(zhuǎn)不是由氣動元件驅(qū)動而是由步進電機驅(qū)動的。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。PLC控制步進的控制指令[ DPLR D1 D2 D3 Y0]。PLSR指令是脈沖輸出指令。針對指定的最高頻率，進行定加速，在達到所指定的輸出脈沖數(shù)后，進行定減速。指令中由D1設(shè)定最高頻率，由D2設(shè)定總輸出脈沖數(shù)，由D3設(shè)定加減速時間，第4個參數(shù)為輸出端(機械手臂Y0/傳送小車Y1)。傳送小車前進YDp3=1;后退YOf33=0;傳送小車移動的距離所給脈沖個數(shù)和位置開關(guān)來控制。旋轉(zhuǎn)手臂逆時針旋轉(zhuǎn)Y2=1;順時針旋轉(zhuǎn):Y2=0;手臂旋轉(zhuǎn)的角度由脈沖個數(shù)來決定。

　　PLC控制程序的功能圖見圖3,將此功能圖、轉(zhuǎn)換為梯形圖，就可以成為PLC控制程序，從而實現(xiàn)對本氣動機械手的動作控制。

圖3PLC控制圖

　　梯形圖的設(shè)計:梯形圖的編制方法很多，可以用起保停的方法，即按條件起動然后保持(自鎖)，下一個狀態(tài)成立時切斷上一個狀態(tài)，也可以使用置位[SET],乙和復(fù)位[RST]來完成，比較典型的是以[STL]為特征的步進梯形圖。如果要精簡一些，我們也可以用移位指令來完成，如本例可以用[SFTL M50 M0 K19 K1 ] ,其中SFTL是左移位指令，M5f1是補位的，M}是起始狀態(tài)繼電器，K19表示共19個繼電器，即MO一M19,KL表示每次一位。部分程序如圖4。其中[ZRST M1M18]是區(qū)間復(fù)位指令。I3PISR是脈沖輸出指令。

圖4部分PLC程序

3 小結(jié)

　　總之，通過采用PLC對自動生產(chǎn)線中四自由度旋轉(zhuǎn)機械手進行控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。控制程序具有較強的抗干擾能力，良好的可靠性，具有良好的協(xié)調(diào)運行性能。