0 引言

　　機械手是一種能自動定位控制并可重新編程改變的多功能機器。它有多個自由度，可用來搬運工件么完成在各個不同環境中工作。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件。機械手系統最核心的部分是執行系統和控制系統，其執行機構一般由液壓、氣動或電機來完成。這里我們介紹基于FX系列的PLC來實現對自動生產線中四自由度旋轉機械手的控制。

1 系統的組成及其工作過程

　　如圖1所示，自動生產線中四自由度旋轉機械手是由傳送小車與三軸旋轉機械手裝置組成。它能完成進退、旋轉、伸縮、升降動作。傳送小車與傳輸軌道組成，采用有軌運行方式，作為各站的傳送樞紐，三軸旋轉機械手具有多工位旋轉可伸縮可升降特點，通過中央控制系統進行有效合理的任務調度，也可單獨進行手動調度。小車直線運行，能準確停到各工作站點，同時能對停靠各站進行上、下工件的取放操作;設有硬件急停功能確保系統設備安全。四自由度旋轉機械手的執行機構是由氣動與電機來完成。四自由度旋轉機械手終端是1個氣動夾爪，可以實現抓和放的動作，由1個雙作用氣缸和1個雙電控電磁閥來完成控制;氣動夾爪安裝在1個水平方向的雙作用氣缸上，能實現伸出和縮回動作，方向的控制由1個雙電控的電磁閥來完成;水平方向的氣缸又安裝在1個垂直方向的升降氣缸上，能實現上升和下降動作，垂直氣缸由i個單電控的電磁閥完成;機械手旋轉是由直流步進電機驅動，傳送小車的驅動是由交流步進電機完成。因此機械手的升降、伸縮及抓取分別由3個氣缸完成，進退與旋轉由2個電機完成。整個機械手的控制，是通過向系統提供符合要求的開關信號來實現的。系統的硬件主要由電氣動驅動系統和PhC控制系統組成，軟件系統主要通過PLC的編程實現。其氣動系統原理圖見圖2a。

圖1 旋轉機械手結構

圖2旋轉機械手氣動原理

　　本機械手功能是將一邊的工件搬到另一邊，如將一條生產線的工件搬到另一條生產線，或將一個工作站的工件搬到另一個工作站，工作順序為:(上電)→復位→(啟動)，前進到工作站點→順時針旋轉的90°→伸出→下降→抓工件→上升→縮回→逆時針旋轉的90°→前進到Z作站點2→逆時針旋轉的90°→伸出→下降→放工件→上升→縮回→順時針旋轉的90°→后退到原點斗循環。

2 系統的PLC控制設計

　　根據系統控制信號的數量，本系統選用FX2N-48MR型可編程控制器。可以結合實際的工程要求在工作現場調整控制程序，實現機械手的不同動作，實現了機械手柔性化設計。

　　2.1 機械手系統與PLC的I/O表(見表1)

　　2.2 軟件設計

　　機械手控制要求是:設復位狀態為小車停在原點、仲縮氣缸縮回、氣爪放松、旋轉機械手臂為零度方向。因此上電后復位就是需要傳送小車后退到原點、縮回至后極限、放松氣爪、旋轉機械手臂為零度方向，特別是旋轉機械手臂的初始位置要調整好，按下啟動按鈕后，傳送小車前進，前進到_仁作站點1,到達位置后，機械手順時針旋轉90°,到位后機械手伸出至前極限，下降至下極限點，此處由個單電控的電磁閥完成，所以在一卜一個動作取工件時要保持下降，接下來的動作是機械手上升至匕極限，然后縮回至后極限，接著機械手逆時針旋轉90°，抓住工件前進到工作站點2，機械手逆時針旋轉的90°，伸出，下降，保持下降并將氣動夾爪打開放工件，完成工件的搬運工作，接著機械手先上升至上極限，然后縮回至后極限，機械手順時針旋轉90°回到初始旋轉位，然后傳送小.車后退到原點。至此，氣動機械手完成一個_仁作周期，可返回進行下一個循環。這里，我們注意到機械手都要在縮回后再旋轉，這時為了避免懸臂梁過長而造成干涉或者機械的笨重。

　　傳送小車的進退及機械手臂的旋轉不是由氣動元件驅動而是由步進電機驅動的。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。PLC控制步進的控制指令[ DPLR D1 D2 D3 Y0]。PLSR指令是脈沖輸出指令。針對指定的最高頻率，進行定加速，在達到所指定的輸出脈沖數后，進行定減速。指令中由D1設定最高頻率，由D2設定總輸出脈沖數，由D3設定加減速時間，第4個參數為輸出端(機械手臂Y0/傳送小車Y1)。傳送小車前進YDp3=1;后退YOf33=0;傳送小車移動的距離所給脈沖個數和位置開關來控制。旋轉手臂逆時針旋轉Y2=1;順時針旋轉:Y2=0;手臂旋轉的角度由脈沖個數來決定。

　　PLC控制程序的功能圖見圖3,將此功能圖、轉換為梯形圖，就可以成為PLC控制程序，從而實現對本氣動機械手的動作控制。

圖3PLC控制圖

　　梯形圖的設計:梯形圖的編制方法很多，可以用起保停的方法，即按條件起動然后保持(自鎖)，下一個狀態成立時切斷上一個狀態，也可以使用置位[SET],乙和復位[RST]來完成，比較典型的是以[STL]為特征的步進梯形圖。如果要精簡一些，我們也可以用移位指令來完成，如本例可以用[SFTL M50 M0 K19 K1 ] ,其中SFTL是左移位指令，M5f1是補位的，M}是起始狀態繼電器，K19表示共19個繼電器，即MO一M19,KL表示每次一位。部分程序如圖4。其中[ZRST M1M18]是區間復位指令。I3PISR是脈沖輸出指令。

圖4部分PLC程序

3 小結

　　總之，通過采用PLC對自動生產線中四自由度旋轉機械手進行控制，實現了系統控制要求。控制程序具有較強的抗干擾能力，良好的可靠性，具有良好的協調運行性能。