引言

    机械手在自动化车间中用来运送物料，从事焊接、喷漆、装配等工艺操作，可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。特别是在高温、危险、有害的作业环境(放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、强噪声等)中，可用机械手代替人的部分操作。目前，机械手已广泛应用于铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各种工艺过程中。本文介绍一种执行机构由电动机和液压缸组成，采用PLC控制的机械手控制系统的设计。

1 机械手结构及动作

    本机械手用于生产线上工件的自动搬运，其结构如图1所示。由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作。A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松。B缸通过一个双电两位四通电磁换向阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车用两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。当小车前进时以慢—快一陧的形式行进，返回时以慢—快一慢的形式后退。当工件从输送带输送到机械手的下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3，与机械手夹钳相联的A缸活塞杆收进．机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升至最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车向右慢速行走；当小车碰压行程开关SQ7时，转为快速行走；接近终点时，小车碰压行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右边终点碰压行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸，动夹钳松开，将工件放下；然后，机械手上升，小车以慢一快一慢的运动形式沿原路返回，恢复到图中所示的原点位置。

图1 机械手结构示意图

2 系统硬件设计

    包括主电路和控制电路的设计。主电路中有二台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行。其控制如下：慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正转和反转；快速电动机M2由接触器KM3、KM4分别控制其正转和反转。控制电路设计主要是PLC输入、输出接线图的设计,按照机械手控制和工艺流程的要求，科学地选择控制方案．确定PLC型号和传感器，合理地分配输入、输出点．得到图2所示的PLC输入、输出接线图。

图2 PLC加接线不意图

图中，设置9个行程开关SQ1-SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置以及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降、上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧、放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车运动速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。

为了便于生产加工和维修、调整,设置了工作方式选择开关SA。当开关置于“自动”位时，从工件通过输送带输送到机械手下方开始，到机械手将工件搬运到指定位置卸下，并返回原位等待下一个工件到来，全部自动进行：置于“手动”位时，通过按钮SB1一SB7对机械手的升降，夹钳的放松、夹紧，小车的进退和运动速度等各动作流程进行点动控制。其中SB1、SB2分别为下降、上升按钮；SB3为夹钳放松按钮；SB4、SB5分别为小车慢进、慢退按钮；SB6、SB7分别为小车快进、快退按钮。当机械手在工作中途因停电或自动控制系统发生故障时，可点动复位。

接触器KM1～KM4的线圈接到PLC输出端，控制小车的进退和运动速度；电磁线圈YA1～YA3控制机械手的放松及升降运动。设置了指示灯HLl～HL8，用以指示机械手的升降、夹钳的松紧、小车的进退及运动快慢等工作状态。

3 系统软件设计

    设备有“自动／手动”二种工作方式．其控制程序可分为自动控制程序和手动控制程序二个模块。各模块程序分开编写，结构清晰，便于调试和修改。分析可知，在“自动”工作方式下，本机械手的运动是以开关量作为转移信号，按所设计的工艺流程一步一步地进行工作，其控制过程为顺序循环控制，可选择STL步进顺序控制方式。即采用步进顺控指令对其编程．可使程序简化，提高编程效率，为程序的调试、试运行带来许多方便。当机械手完成一个工件的搬移、小车返回原位，夹钳处于放松状态时。就为下一个工件的搬移作好了准备。当通过输送带输送来的工件到位时，SQ1动作，发出启动指令，进入新一轮循环。YA1是单电两位四通电磁阀的电磁线圈，为了安全．设计要求它在失电时机械手仍处于夹紧状态．得电才张开机械手。所以，开机时用SET指令，将Y004置1，YA1便带电，机械手是张开的。系统的自动控制状态转移图如图3所示，根据状态转移图，很容易得到梯形图程序，由于篇幅所限，在此不再赘述。

图3 自动控制状态转移图

手动控制程序用于实现机械手升降、夹钳放松、小车进退和运动快慢的点动控制和状态指示。当机械手工作中途停电或系统发生故障时，可使机械手手动复位。其梯形图程序如图4所示。

4 PC与PLC的联网通信

    在自动生产线上．各种用途的机械手和生产机械组成一个自动工作系统，用上位计算机(PC)与生产现场的PLC组成分布式控制系统，进行实时的交互通信。工作人员可根据生产现场的需要，在不中断生产的情况下，在上位机上实时地对现场参数进行修改、调整，使系统工作于最佳状态。还可在上位机上编程、监测设备运行情况、进行故障诊断、显示，对系统进行管理和调度，使设备潜力得到充分发挥。图5是PC与一个机械手PLC控制系统的连接示意图。在生产线上，可采用1：n上位链接通信方式，用一台计算机管理多台设备。在上位计算机与PLC之间加一个RS232C／RS485的转换器，用于链接计算机的RS232C串行口和PLC的RS485通信适配器，可增大通信距离。

5 结束语

    本文创新点是：针对本机械手执行机构由电动机和液压缸组成及顺序工作特点，系统采用PLC控制，运用步进顺控编程，简化程序，且便于调试。通过PLC本身通信接口，与上位计算机联网，构成分布式控制系统，实时地对现场参数进行监测、修改、调整，使系统工作于最佳状态。相对其它控制方式，具有很高的可靠性、较好的性价比、较强的可操作性和实用性，提高了生产效率，在实际应用中运行良好。