PLC控制机械手在机械加工中的应用

1.机械手的控制要求

（1）设备概况

机械手用于搬运工件，工作时可将工件从左工作台取起，将工件搬运至右工作台放下，周而复始同一工作。机械手的结构和各部分动作的示意图如图8-17所示。机械手所有的动作均由液压驱动，它的上升与下降、左移与右移等动作均由双线圈双位电磁阀控制，一旦某个方向的电磁阀得电，机械手就一直保持当前状态，直到另一个电磁阀得电后，才终止机械手的动作。即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。机械手的夹紧和放松用一个单线圈双位电磁阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松。

图8-17 机械手的结构和各部分动作的示意图

（2）机械手动作顺序与元件布置

机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图8-18所示。

图8-18 机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图

机械手的初始位置停在原点（示意图左上方），其上限位开关和左限位开关闭合。按下起动按钮后，机械手将依次完成下降—夹紧（时间为1s）—上升—右移—再下降—放松（时间为1s）—再上升—左移8个动作，机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

按下停止按钮后，机械手要将当前工作周期的动作完成后，才能返回到初始位置。

为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动暂时等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。

（3）控制要求

按不同的工作方式，搬运机械手的控制要求分为如下几个方面：

1）手动工作方式。利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如，按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的调整。

2）单步工作方式。从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。

3）单周期工作方式。按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。

4）连续工作方式。按下起动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。

根据以上控制要求，操作台面板布置示意图如图8-19所示。

图8-19 机械手操作台面板布置示意图

2.PLC选型与I／O分配

（1）输入信号

输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给PLC。输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输入端子。具体分配如下：位置检测信号有下限、上限、右限、左限，共4个行程开关，需要4个输入端子；“无工件”检测信号采用光电开关作为检测元件，需要1个输入端子；“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输入端子；手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松6个按钮，需要6个输入端子；自动工作时，尚需起动按钮、停止按钮，需占2个输入端子。

（2）输出信号

PLC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，要占用1个输出点。所以，至少需要6个输出信号点。

（3）PLC选型(www.xing528.com)

要达到控制功能要求，选用继电器输出型PLC即可，此处选用FX2N－48MR。

（4）分配PLC的I／O端子

根据对机械手的I／O信号的分析以及所选的外部输入设备的类型及PLC的机型，分配PLC的I／O端子如图8-20所示。

图8-20 I／O端子的分配

3.PLC控制系统程序设计

（1）程序的总体结构

本例为具有多种工作方式的控制系统，系统具有多种工作方式，如手动和自动等。程序设计基本思路如下：

将系统的程序按照工作方式和功能分成若干部分，如公用程序、手动程序、自动程序等。为了便于编程，在设计软件时将手动程序和自动程序分别编出相对独立的程序段，再用条件跳转指令进行选择。搬运机械手的控制系统程序结构框图如图8-21所示。

当选择手动工作方式（手动、单步）时，X007或者X010接通并跳过自动程序而执行手动程序；当选择自动工作方式（单周期、连续）时，X007、X010断开，而X011或X012接通，则跳过手动程序而执行自动程序。

由于工作方式选择转换开关在外部采取了机械互锁，因而此程序中手动程序和自动程序可以采用互锁，也可以不互锁。如果工作方式选择转换开关不采取机械互锁，程序中手动程序和自动程序必须采用互锁，在工作中有相同的工作要求，可以设置一段公用程序。

（2）程序的设计

1）手动程序。手动操作不需要按工序顺序动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图8-22所示。手动按钮X013～X020分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的联锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了X002作为上限联锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动。

图8-21 搬运机械手的控制系统程序结构框图

图8-22 手动操作的梯形图

由于夹紧、放松动作是用单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能。

2）自动程序设计。由于自动操作的动作较复杂，可先画自动操作流程图（见图8-23），用以表明动作的顺序和转换条件，然后再根据所采用的控制方法设计程序。矩形框表示“工步”，相邻两个工步之间，用有向线段连接，表明转换的方向。小横线表示转换的条件。若转换条件得到满足，则程序从上工步转到下工步。

根据自动操作流程图就可以画出自动控制程序的梯形图（见图8-24）。

图8-23 自动操作流程图

图8-24 自动控制程序的梯形图

3）回原点程序。回原点程序用于将程序中使用的状态器进行置位和复位。回原点程序如图8-25所示。