引言

    機械手在自動化車間中用來運送物料，從事焊接、噴漆、裝配等工藝操作，可將操作工人從繁重、單調、重復的體力勞動中解放出來。特別是在高溫、危險、有害的作業(yè)環(huán)境(放射性、有毒氣體、粉塵、易燃、易爆、強噪聲等)中，可用機械手代替人的部分操作。目前，機械手已廣泛應用于鑄造、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)行機構由電動機和液壓缸組成，采用PLC控制的機械手控制系統(tǒng)的設計。

1 機械手結構及動作

    本機械手用于生產線上工件的自動搬運，其結構如圖1所示。由A、B兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作。A缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松。B缸通過一個雙電兩位四通電磁換向閥控制機械手的升降；由小車實現機械手的移動。該小車用兩臺電動機驅動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢—快一隉的形式行進，返回時以慢—快一慢的形式后退。當工件從輸送帶輸送到機械手的下方時，工件碰壓行程開關SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關SQ3，與機械手夾鉗相聯的A缸活塞桿收進．機械手將工件夾緊；當工件夾緊到位時，行程開關SQ5動作，B缸的活塞桿收進，把工件提升；當工件提升至最高位置時碰壓行程開關SQ4，啟動小車向右慢速行走；當小車碰壓行程開關SQ7時，轉為快速行走；接近終點時，小車碰壓行程開關SQ8，轉為慢速行走；行至右邊終點碰壓行程開關SQ9，小車停止前進；停留5秒后，B缸活塞桿再次外伸，機械手下降至終點，A缸活塞桿外伸，動夾鉗松開，將工件放下；然后，機械手上升，小車以慢一快一慢的運動形式沿原路返回，恢復到圖中所示的原點位置。

圖1 機械手結構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

    包括主電路和控制電路的設計。主電路中有二臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行。其控制如下：慢速電動機M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正轉和反轉；快速電動機M2由接觸器KM3、KM4分別控制其正轉和反轉?？刂齐娐吩O計主要是PLC輸入、輸出接線圖的設計,按照機械手控制和工藝流程的要求，科學地選擇控制方案．確定PLC型號和傳感器，合理地分配輸入、輸出點．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，設置9個行程開關SQ1-SQ9用于檢測工件、小車、機械手的位置以及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態(tài)，并對系統(tǒng)實施控制。其中SQ1為工件是否到位檢測開關；SQ2為小車原位檢測開關；SQ3、SQ4分別為機械手下降、上升是否到位檢測開關；SQ5、SQ6分別為機械手夾緊、放松檢測開關；SQ7、SQ8分別為小車運動速度轉換開關；SQ9為小車運動停止開關。

為了便于生產加工和維修、調整,設置了工作方式選擇開關SA。當開關置于“自動”位時，從工件通過輸送帶輸送到機械手下方開始，到機械手將工件搬運到指定位置卸下，并返回原位等待下一個工件到來，全部自動進行：置于“手動”位時，通過按鈕SB1一SB7對機械手的升降，夾鉗的放松、夾緊，小車的進退和運動速度等各動作流程進行點動控制。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、慢退按鈕；SB6、SB7分別為小車快進、快退按鈕。當機械手在工作中途因停電或自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可點動復位。

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

3 系統(tǒng)軟件設計

    設備有“自動／手動”二種工作方式．其控制程序可分為自動控制程序和手動控制程序二個模塊。各模塊程序分開編寫，結構清晰，便于調試和修改。分析可知，在“自動”工作方式下，本機械手的運動是以開關量作為轉移信號，按所設計的工藝流程一步一步地進行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制，可選擇STL步進順序控制方式。即采用步進順控指令對其編程．可使程序簡化，提高編程效率，為程序的調試、試運行帶來許多方便。當機械手完成一個工件的搬移、小車返回原位，夾鉗處于放松狀態(tài)時。就為下一個工件的搬移作好了準備。當通過輸送帶輸送來的工件到位時，SQ1動作，發(fā)出啟動指令，進入新一輪循環(huán)。YA1是單電兩位四通電磁閥的電磁線圈，為了安全．設計要求它在失電時機械手仍處于夾緊狀態(tài)．得電才張開機械手。所以，開機時用SET指令，將Y004置1，YA1便帶電，機械手是張開的。系統(tǒng)的自動控制狀態(tài)轉移圖如圖3所示，根據狀態(tài)轉移圖，很容易得到梯形圖程序，由于篇幅所限，在此不再贅述。

圖3 自動控制狀態(tài)轉移圖

手動控制程序用于實現機械手升降、夾鉗放松、小車進退和運動快慢的點動控制和狀態(tài)指示。當機械手工作中途停電或系統(tǒng)發(fā)生故障時，可使機械手手動復位。其梯形圖程序如圖4所示。

4 PC與PLC的聯網通信

    在自動生產線上．各種用途的機械手和生產機械組成一個自動工作系統(tǒng)，用上位計算機(PC)與生產現場的PLC組成分布式控制系統(tǒng)，進行實時的交互通信。工作人員可根據生產現場的需要，在不中斷生產的情況下，在上位機上實時地對現場參數進行修改、調整，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。還可在上位機上編程、監(jiān)測設備運行情況、進行故障診斷、顯示，對系統(tǒng)進行管理和調度，使設備潛力得到充分發(fā)揮。圖5是PC與一個機械手PLC控制系統(tǒng)的連接示意圖。在生產線上，可采用1：n上位鏈接通信方式，用一臺計算機管理多臺設備。在上位計算機與PLC之間加一個RS232C／RS485的轉換器，用于鏈接計算機的RS232C串行口和PLC的RS485通信適配器，可增大通信距離。

5 結束語

    本文創(chuàng)新點是：針對本機械手執(zhí)行機構由電動機和液壓缸組成及順序工作特點，系統(tǒng)采用PLC控制，運用步進順控編程，簡化程序，且便于調試。通過PLC本身通信接口，與上位計算機聯網，構成分布式控制系統(tǒng)，實時地對現場參數進行監(jiān)測、修改、調整，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。相對其它控制方式，具有很高的可靠性、較好的性價比、較強的可操作性和實用性，提高了生產效率，在實際應用中運行良好。