基于FX2N可編程控制器的機(jī)械手控制系統(tǒng)

崔成辰

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 控制科學(xué)與工程系，上海 200093）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)采用了流水線操作，而且生產(chǎn)的條件越來越苛刻（人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒物品等因素的危害），所以普通的人力已經(jīng)無法滿足實(shí)際工作的需要，為了節(jié)約人的體力，機(jī)械手就這樣誕生了。機(jī)械手除了可以像人一樣往復(fù)地運(yùn)動，還能夠按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化。

本設(shè)計(jì)擬開發(fā)的上下料機(jī)械手可在空間抓放工件，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。它采用PLC控制，和傳統(tǒng)繼電器控制相比較，穩(wěn)定性更高，接線更簡單，抗干擾能力更強(qiáng)，維修更方便；此外還可以簡化控制線路，節(jié)省成本，進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率。

1 機(jī)械手系統(tǒng)

1.1 機(jī)械手單元控制要求

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)、夾緊和放松等動作，由底盤、立桿、手臂、手組成。整個機(jī)械手系統(tǒng)工作環(huán)境如圖1所示。

機(jī)械手單元的控制要求如下：首先機(jī)械手旋轉(zhuǎn)移動到送料傳送帶（上料工位處），夾緊零件，然后旋轉(zhuǎn)到加工位，放松零件進(jìn)行加工，隨后把加工后的零件夾緊送到卸料傳送帶（卸料工位處），放下工件，最后機(jī)械手回到上料位并恢復(fù)初始狀態(tài)。初始狀態(tài)時，機(jī)械手的立桿最高，手臂最短，手最松。機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)依靠底盤，底盤由一個旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)的正／反旋轉(zhuǎn)控制底盤的順時針／逆時針旋轉(zhuǎn)；機(jī)械手的上升下降依靠立桿完成，立桿由一個直流電機(jī)驅(qū)動控制，該電機(jī)的上行／下行控制機(jī)械手的上升／下降；機(jī)械手的前進(jìn)和縮回是由手臂完成，手臂由另一個直流電機(jī)驅(qū)動控制，該電機(jī)的右行／左行控制機(jī)械手的前進(jìn)／縮回；機(jī)械手的夾緊和放松也由一個直流電機(jī)控制，該電機(jī)的右行／左行控制機(jī)械手的抓緊／放松。在機(jī)械手的各相應(yīng)位置都有行程開關(guān)用于定位。

圖1 機(jī)械手系統(tǒng)工作圖

1.2 工藝流程與動作順序

機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)底座共有3個方向，即上料、加工、下料，每個方向相差90°。根據(jù)旋轉(zhuǎn)工作臺的工藝要求，機(jī)械手的工作方式有啟動階段、工作階段、結(jié)束階段3種模式，分別完成裝零件、取零件后再裝入和取零件的工作過程。

以典型的加工階段為例，當(dāng)上料傳送帶上檢測到有零件后，若旋轉(zhuǎn)工作臺發(fā)出加工完成信號，機(jī)械手定位在加工工位：機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到加工工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，夾緊已加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到下料工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，放松已加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到上料工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，夾緊未加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到加工工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，放松未加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回。

若在啟動工作階段，對開始的1～4個零件，只有裝料要求，機(jī)械手定位在上料工位：機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到上料工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，夾緊未加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到加工工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，放松未加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回。

若在結(jié)束工作階段，對最后的4個零件，只有卸料要求，機(jī)械手定位在加工工位：機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到加工工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，夾緊已加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到下料工位，機(jī)械手伸出，手臂下降，放松已加工的零件，手臂上升，機(jī)械手縮回。

2 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件采用三菱FX2N系列PLC，其特點(diǎn)是小型、高速、高性能。根據(jù)機(jī)械臂的功能要求，系統(tǒng)需要3個點(diǎn)動按鈕和15個行程開關(guān)來控制電動機(jī)的停止位置，故輸入點(diǎn)有18個；4個電動機(jī)都能分別向2個方向運(yùn)動，故輸出點(diǎn)數(shù)有8個，總的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)為18／8。這里采用FX2N系列CPU模塊1個和I／O模塊2個：FX2N－16MR－001基本單元1個，帶8點(diǎn)輸入／8點(diǎn)繼電器輸出；FX2N－8EX擴(kuò)展單元2個，其每個帶8點(diǎn)繼電器輸入。硬件系統(tǒng)總的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)為24／8，輸入點(diǎn)數(shù)多余的6個備用。PLC輸出、輸入地址分配見表1和表2。

表1 PLC輸出地址

按上述工藝及地址描述工作過程，可以把零件安裝工作時的流程簡單描述為：按啟動（X5），旋轉(zhuǎn)電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)（Y1）到上料工位（X24），機(jī)械手伸出（Y13）到限位開關(guān)（X13），手臂下降（Y15）到限位開關(guān)（X15），夾緊未加工的零件（Y11）到限位開關(guān)（X11），手臂上升（Y14）到限位開關(guān)（X14），機(jī)械手縮回（Y12）到限位開關(guān)（X22），旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)（Y0）到加工工位（X25），機(jī)械手伸出（Y13）到限位開關(guān)（X13），手臂下降（Y15）到限位開關(guān)（X15），放松未加工的零件（Y10）到限位開關(guān)（X10），手臂上升（Y14）到限位開關(guān)（X14），機(jī)械手縮回（Y12）到限位開關(guān)（X22），完成一次零件安裝。

表2 PLC輸入地址

3 軟件系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

條件判斷梯形圖見圖3。

圖3 條件判斷梯形圖

如果待加工零件數(shù)D0＞0，而且已經(jīng)送到加工位的零件數(shù)D1≤3，那么將執(zhí)行啟動工作階段的機(jī)械手回初始狀態(tài)程序，即后續(xù)程序是使機(jī)械手抬得最高，手臂最短，手最松，并且停在上料工位X24。

如果待加工零件數(shù)D0＞0，而且已經(jīng)送到加工位的零件數(shù)D1＞3，那么將執(zhí)行正常工作階段的機(jī)械手回初始狀態(tài)程序，即后續(xù)程序是使機(jī)械手抬得最高，手臂最短，手最松。由于正常工作階段要循環(huán)兩次抓放物料，因此設(shè)正常工作狀態(tài)下記錄抓放次數(shù)的計(jì)數(shù)器C4計(jì)數(shù)值為1，即第1次C4為0，第2次置1，那么第1次機(jī)械手停在加工位X25，第2次停在上料工位X24。

如果待加工零件數(shù)D0＝0，而且已經(jīng)送到加工位的零件數(shù)D1＞3，那么將執(zhí)行結(jié)束工作階段的機(jī)械手回初始狀態(tài)程序，即后續(xù)程序是使機(jī)械手抬得最高，手臂最短，手最松，并且停在加工位X25。

4 結(jié)束語

本文闡述了以三菱FX2N可編程控制器為控制核心的工業(yè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，簡單又實(shí)用，在某企業(yè)的生產(chǎn)線上24 h連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。與原有的人工工作方式相比，極大地提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 鐘肇新.可編程序控制器原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

［2］ 郝曉弘，張萍.FX2N系列PLC在電梯變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.PLC＆FA，2005（12）：50－53.

［3］ 魏志強(qiáng)，孫旭光，王益群，等.可編程控制器在氣動機(jī)械手控制中的應(yīng)用［J］.液壓與氣動，2009（6）：18－20.

［4］ 蔣少茵.PLC控制的機(jī)械手［J］.測控自動化，2004（6）：17－18.

［5］ 史國生，崔洪斌.PLC在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2001（8）：25－27.

［6］ 楊存智.PLC在自動化生產(chǎn)機(jī)械手中的應(yīng)用［J］.機(jī)床電器，2006，33（1）：38－40.

［7］ 彭堅(jiān).氣動機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)，2004（6）：23－24.

［8］ 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［9］ 高勤.可編程控制器原理及應(yīng)用（三菱機(jī)型）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［10］ 章文浩.可編程序控制器原理及試驗(yàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.