PLC控制机械手系统设计

虞小明

摘 要：该文利用日本三菱企业的FX2N系列PLC来操控机械手的基本运转。这一设备机械包括滚珠丝杠、滑轮和机械抓手等构件;电气系统由交流设备、变频器、操作系统等部分构成。可以利用PLC系统搭配相关硬件工具，控制机械手完成各种动作。

关键词：PLC技术;机械手;程序设计

中图分类号：TP241      文献标志码：A

1 PLC的运行原理

1.1 输入取样

在输入取样时，PLC通过扫描方式逐一读入输入的状态及数据信息，并将之保存在I/O映象区内的相关单元中。输入采样完成后，转入客户程序执行过程与输出刷新过程。该过程就算输入状态和数据有所变化，I/O映象区内的基本单元状态、数据也不会发生改变。所以，若输入的是脉冲信号，那么其宽度必须超过一个扫描周期，方可保证在任何条件下，该输入都可以被读入。

1.2 客户程序执行过程

在客户程序执行过程中，PLC始终按照从上到下的顺序逐一扫描客户程序。在扫描各个梯形图时，会先扫描梯形图左侧由各触点组成的控制电路，并坚持由左向右、由上向下的顺序求解由触点形成的控制电路，接着按照逻辑运算结果，刷新该逻辑线圈在结构RAM存储区内相关点的状态;或是刷新该输出线圈在I/O中相关点的状态;抑或是确定是否执行该梯形图所要求的特殊功能指令。即，在客户程序执行过程，仅I/O里的输入状态与数据不发生改变，而其余输出点及软系统在I/O映象区中与结构RAM存储区里的状态及数据均有发生变化的可能性，同时排在顶部的梯形图，其程序执行结果将对排在底部的凡是用到这类线圈和数据的梯形图有作用。

1.3 输出刷新过程

当完成扫描客户步骤后，PLC将进到输出刷新环节。这一过程，CPU按照I/O映象区中相关状态及数据刷新所有的输出锁存电路，接着经过输出电路驱动相应的外设。此时，才算PLC真正输出。而且，一些条梯形图的排列次序不一样，执行结果也存在差异。此外，扫描客户程序的最后运行和继电器控制设备的硬逻辑并行运行的结果有所差异。

一般，PLC控制器的扫描步骤包括自检测、通信等，即一个扫描周期就是自检测、通信、输入采集、客户流程实施、输出刷新等全部时间的总合。PLC系统源自继电控制器，但其不像继电器一样，经线路的物理过程实现控制，而是依靠运行保存在PLC中的程序，实现输入/输出数据变换控制。

2 机械手的运行流程

机械手的最初位置是在原点，按下启动开关后，机械手会降低→夹紧部件→升高→右移→然后降低→放松部件→再升高→左移，以完成一个运行周期。机械手的降低、升高、右移、左移等运行变换，是由相关限位开关来操控的，而夹紧、放松运行的变换是通过时间来操控的。为保证安全性，机械手右移完成后，一定要在右作业台上无部件时才可降低，如果上次搬至右作业台上的部件还没有移走，机械手要自动停止，等待，通过安装一个光电开关来检查“无部件”信号，如图1所示。

为达到生产需要，机械手具备手动运行与自动运行2种模式，而自动运行模式又分成单步、单周期与连续运行模式。

（1）手动运行方式：通过按钮来控制机械手的每个运行动作。比如，按下“降低”开关，机械手降低;按下“升高”按钮，机械手升高。手动运行能用来调整运行位置与紧急暂停后使机械手回到原点。

（2）单步运行方式：由原点开始，根据自动运行循环的工序，每按1次启动开关，机械手运行一次后自动暂停。

（3）单周期运行方式：按下启动开关，机械手根据工序自动完成一个周期的运行，回到原点后暂停。

（4）连续运行模式：按下开关，机械手由原点出发，根据工序自动重复、连续运行，在连续运行模式下设计2种停车状况：第一，正常停车。在该种状态下停车，按下恢复按钮，机械手运行最后一个周期之后，回到原点自动暂停。第二，紧急停车。在出现事故和紧急情况时停车。按紧急停车开关，机械手暂停在当下状态。当问题解决后，手动复原到原点。

3 PLC控制结构程序规划

为了便于编程，将手动与自动程序分别编出单独的程序段，通过跳转指令来进行选择，控制结构程序图，如图2所示。选用手动模式时，X3接同，跳过智能程序，运行手动程序;选取自动运行模式时，X3断开，运行自动程序。

3.1 手动程序

该程序无须按照工序来动作，因此能根据一般继电器程序来规划。手动程序的梯形图如图3所示，手动按钮X20-X25分别操控降低、升高、右移、左移、夹紧与放松各项动作。为确保系统安全运行，设计了相关的连锁。其中在左移、右移线路中添加X11作上限连锁，这是因为机械手只有处在上限位置时，才能左移、右移。

3.1 自动操作

（1）连续与单周期运行。当机械手处于原点时，程序处在初始状态S0，执行降低动作。当降低至下限位按钮时，X10连接，又连接下个状态S21，开始执行下个动作。当完成最后一个动作时，即左移至原点触碰左限位按钮时，X13连接，如果单周期运行，那么M0断开，回至初始状态，若连续运行，那么M0接通，状态变为S20，又开始下个周期的运行。

在运行过程中，若按正常停车开关，那么X1接通，M0恢复，机械手的运行完成一个周期后，回至初始状态。若按紧急停车开关，那么X2连接，状态S0～S33都复位，机械手运行停止。再次启动时，先通过手动操作把机械手移到原点，才可继续进行自动操作。

（2）单步运行：当自动操作程序采用步进指令规划时，单步运行程序在禁止步进状态下运行，线圈电源断开时，能够进行状态转移。

在单步操作状态下，利用启动按钮X0作为单步运行信号，X4连通。不按启动开关时，X0断开，其常闭接点闭合，M8040连通，状态转移被禁止。

当完成这一步后，按下启动开关，X0连通，其常闭接点会断开M8040，状态转移至下一步。由此，机械手的控制系统分段设计结束。按照图1所示的基本结构图，将手动操作程序梯形图与自动程序梯形图嵌入，就获得整个程序的梯形图

4 结语

综上所述，随着我国科技的发展，人类对机械手使用的安全性、稳定性及准确性有了新的认识，而且还对其提出了很高的要求。利用PLC对机械手进行控制已成为一种必然趋势。

参考文献

[1]宣自洋，陈书宏，常凯.基于PLC控制的变速器搬运机械手系统设计[J].制造业自动化，2015，37（4）：6-8.

[2]王德志.基于PLC控制机械手系统设计的开发[J].科技风，2015（1）：73.

[3]王旭.基于PLC控制的机械手系統设计[J].机电信息，2012（18）：138-139.