基于PLC的工业机械手在自动化生产线中的应用

张劲

(扬州职业大学，江苏 扬州225009)

0 引言

工业机械手是一种模仿人手动作，并按照设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运物件，从事焊接、喷漆、装配等工艺操作的机电一体化装置。近年来，机械手在自动化领域中得到越来越多的应用，它可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，广泛应用于机械制造、冶金、电子、航空航天等部门。工业机械手的控制系统是通过控制电磁换向阀、气缸等来实现不同动作的，可以采用单片机控制，也可以采用PLC控制。若采用单片机控制，由于电磁阀的工作电压高于单片机，所需驱动电流较大，须设计功率接口电路，还要进行抗干扰和可靠性设计。采用PLC控制，则无需考虑上述问题，PLC以其高可靠性、高柔性、丰富的I/O接口等优点而被广泛应用于各种自动化生产设备和生产线上。图1为工业机械手的结构示意图［1-2］。

图1 工业机械手结构示意图

本文重点阐述了气动工业机械手搬运物件的PLC控制系统的控制方案及其软硬件结构的设计方法，该控制系统造价低廉、线路简单、通用性好，具有一定的代表性。

1 自动搬运系统的结构和控制要求

1.1 机械手控制要求

如图2所示，机械手控制系统需实现从左高位为起点的一个循环过程。机械手在左高位启动首先下降，当手下降到工件位置时停止下降并夹紧工件，接着机械手夹着工件开始上升，上升到指定高度后，开始右移到指定位置时开始下降，到可以放工件的位置时放下工件，然后机械手开始上升，到指定高度后再左移到起点位置，完成一次工作循环。

图2 机械手自动搬运系统示意图

1.2 机械手工作原理

图3 为机械手的气动原理图。其工作原理为:开始时机械手停在原位，此时电磁铁5YA通电，机械手松开，按下启动按钮时，电磁铁2YA通电，气缸5的活塞带动机械手下降，下降到位时，压下限位开关，2YA断电，气缸使机械手停止下降；同时使5YA断电，气缸17的活塞带动机械手夹紧工件。夹紧后电磁铁1YA通电，气缸5的活塞带动机械手上升。上升到位时压下限位开关，使1YA断电，上升停止。同时使电磁铁3YA通电，气缸11的活塞带动机械手右移。右移到位时压下限位开关，使3YA断电，机械手右移停止。若此时工作台上没有工件，则光电开关接通，使电磁铁2YA通电，气缸5的活塞带动机械手下降。下降到位时压下限位开关，使2YA断电，机械手停止下降。同时5YA通电，气缸17的活塞带动机械手松开。放松后1YA通电，气缸5的活塞带动机械手上升，上升到位时压下限位开关，使1YA断电，机械手停止上升，同时使电磁铁4YA通电，气缸11的活塞带动机械手左移。移动至原点时压下限位开关，使4YA断电，机械手左移停止，一个周期的工作循环到此结束。单向节流阀4，6，10，12，16，18用来提高气缸动作时的速度稳定性。液控单向阀3和7用来防止在机械手停止时上下漂移［4-5］。

图3 机械手气动原理图

2 PLC控制系统设计

2.1 输入/输出点数分配

根据机械手的动作控制要求和控制信号数量，画出机械手PLC控制流程图(图4)，并确定PLC输入/输出点数(表1)。本系统选用FX2N-48MR型PLC。FX2N系列PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、控制程序可变、编程简单、扩展方便、体积小、价格低等优点，为多数自动控制系统所采用［3］。

图4 PLC控制流程图

表1 PLC输入/输出分配表

2.2 硬件设计

PLC控制系统与机械手本体的连接主要是针对PLC的输入和输出设备而言的。连接时参照PLC控制系统的外部I/O连接图和主电路图进行。系统中机械手的控制面板采用触摸屏结构，可以节约大量的I/O连接时间。除限位开关具有实体需要连接外，其他控制开关均无需连接实体。PLC的输出端子只接通各个气缸的换向电磁阀即可。其他指示灯均可在触摸屏中显示。工作时只要能够满足PLC处于通电状态，控制程序也已经下载到PLC中，通过触摸屏就可以完成所有工作过程。由此可以看出触摸屏式控制界面比机械式控制面板具有很大的优势。PLC与触摸屏的通讯极为简单，可以通过标准的电缆RS-232连接，在PLC和触摸屏的实体上都有这些标准电缆的连接接口。图5为控制系统硬件结构图［6-7］。

图5 控制系统硬件结构图

2.3 软件设计

根据上述的流程图可以得到PLC控制系统梯形图。由于本机械手控制系统动作顺序性强，每一步的动作均在前一步动作完成之后进行，故也可采用FX2N系列PLC的顺序控制指令画出顺序功能图(SFC)，再转化成梯形图，本文不再赘述。

3 结语

工业机械手是工业及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机械手的设计和制造涉及到机械设计与制造、电气控制、液压和气压传动等方面的专业知识，是多种学科交叉融合的典型机电一体化装置。而机电液(气)一体化是现代工业自动化发展的必然趋势，是机电类专业学生必须掌握的一门综合性知识。若将其制作成教学模型，对学生机、电、液(气)等各门知识的深化和综合运用，都有着非常重要的意义。

［1］左健民.液压与气压传动［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］成大先.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［3］初航.零基础学三菱FX系列PLC［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［4］王善刚，许海斌.PLC在机械手中的应用［J］.长春工程学院学报(自然科学版)，2008，9(3):45-48.

［5］王小玲.工业机械手的PLC控制［J］.机电工程技术，2004，33(9):32-36.

［6］张群生.机械手的 PLC控制系统［J］.装备制造技术，2007，(6):109-113.

［7］胡云堂，江卓达.多自由度柔性生产线送料机械手系统设计［J］.液压与气动，2011，(6):45-47.