陳偉勝

摘 要：由于氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，并可以根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備的工作需要，按照設(shè)定的程序工作，因此它在自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上被廣泛應(yīng)用。由于企業(yè)需要對(duì)變送器進(jìn)行高低溫補(bǔ)償，針對(duì)公司現(xiàn)有的提供補(bǔ)償所用的高低溫箱，設(shè)計(jì)了一套小型的用來(lái)放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手將準(zhǔn)備進(jìn)行高低溫補(bǔ)償?shù)淖兯推鳎胖玫娇蚣苌舷聝蓪拥母鞴の簧?。在詳?xì)研究了氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作循環(huán)及工作原理之后，根據(jù)該氣動(dòng)機(jī)械手的工作流程，設(shè)計(jì)了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和三菱PLC控制系統(tǒng)。包括氣動(dòng)原理的制定、氣動(dòng)元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫(xiě)。氣動(dòng)機(jī)械手采用多位置氣缸，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在框架每層各工位之間的操作；并使機(jī)械手操作氣缸沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在上下兩層之間的操作。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；控制系統(tǒng)

一、機(jī)械手的單個(gè)工作流程

機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處夾緊工件——將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A—放下工件—機(jī)械手回到初始位置五個(gè)過(guò)程完成，機(jī)械手通過(guò)三菱PLC來(lái)控制，可實(shí)現(xiàn)這五個(gè)過(guò)程全自動(dòng)依次運(yùn)行：A）械手移動(dòng)到工件B處：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶B）處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制；B）工件移動(dòng)到指定位置：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到工件（傳送帶A）處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制；）C夾放工件：通過(guò)夾緊/放下直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)來(lái)控制，夾緊工件通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制，即憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)時(shí)間（本系統(tǒng)設(shè)為55），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)機(jī)械手能完全夾緊工件；D）放下工件：通過(guò)夾緊/放下直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)來(lái)控制，通過(guò)松限開(kāi)關(guān)來(lái)控制；E）機(jī)械手回到初始位置：機(jī)械手分別通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及直流電機(jī)來(lái)控制，使得機(jī)械手移到初始位置處，移動(dòng)的最大位置通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制。

二、機(jī)械手的操作方式

機(jī)械手的操作方式可分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。（1）手動(dòng)：用按鈕操作對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制，如：當(dāng)選擇上/下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升，按下停止按鈕，機(jī)械手下降；當(dāng)選擇左/右運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手左移，按下停止按鈕，機(jī)械手右移；當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊，按下停止按鈕，機(jī)械手放松，該方式用于機(jī)械手系統(tǒng)的“回原位”操作本系統(tǒng)中，可用手動(dòng)方式用于機(jī)械手的初始狀態(tài)定位，用操作面板上的按鈕來(lái)點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的各動(dòng)作；（2洋步：每按一次起動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后，自動(dòng)停止；（3洋周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原位（如果在動(dòng)作過(guò)程中，按下停止按鈕，機(jī)械手停在該工序上，再按下起動(dòng)按鈕，則又從該工序繼續(xù)工作，最后停在原位），本系統(tǒng)采用單周期方式進(jìn)行機(jī)械手的工藝過(guò)翟機(jī)械手移動(dòng)到傳送帶B工件處—夾緊工件—將工件移動(dòng)到指定位置傳送帶A—放下工件—機(jī)械手回到初始位置）；（4漣續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下起動(dòng)按鈕SB3，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)，在工作中，若按一下停止按鈕SB4，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。

三、機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手硬件系統(tǒng)由四個(gè)氣缸、三個(gè)真空吸盤(pán)、限位磁性接近開(kāi)關(guān)、5個(gè)兩位五通電磁氣閥和1個(gè)兩位兩通電磁氣閥組成的閥島、控制面板、接線端子、三菱PLC、按鈕開(kāi)關(guān)及指示燈等相關(guān)電氣元件組成。當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)或磁性接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)傳遞到三菱PLC輸入端子，經(jīng)過(guò)三菱PLC程序處理，三菱PLC發(fā)出動(dòng)作控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)主控閥電磁線圈的通斷，控制壓縮空氣的運(yùn)動(dòng)方向，使氣缸產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。要實(shí)現(xiàn)前述控制任務(wù)要求，其控制部分包括氣動(dòng)回路與三菱PLC控制部分。氣動(dòng)機(jī)械手的氣壓控制回路如圖3所示。氣源產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)三聯(lián)件處理后，經(jīng)兩位五通閥和單向節(jié)流閥分別進(jìn)入滑臺(tái)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、懸臂氣缸、升降氣缸。兩位五通閥電磁線圈的通斷決定了氣缸的動(dòng)作，比如控制滑臺(tái)氣缸的二位五通閥通電時(shí)，滑臺(tái)氣缸本體（缸體）左移；斷電時(shí)滑臺(tái)氣缸本體（缸體）右移。本機(jī)械手選擇兩位閥，而沒(méi)有選擇具有中位機(jī)能的三位閥，主要是為了減少控制信號(hào)，減少三菱PLC的輸出點(diǎn)數(shù)。單向節(jié)流閥的作用是調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度，產(chǎn)生一定的背壓緩沖。對(duì)真空吸盤(pán)吸光盤(pán)的過(guò)程，當(dāng)真空發(fā)生器通過(guò)高壓氣體時(shí)，產(chǎn)生一定的真空度，實(shí)現(xiàn)吸光盤(pán)，此時(shí)，兩位五通閥處于通電狀態(tài)，兩位兩通閥處于斷電狀態(tài)。對(duì)放光盤(pán)的過(guò)程，要求高壓氣體先經(jīng)兩位兩通閥，通過(guò)真空吸盤(pán)將吸附的光盤(pán)吹落，延遲一段時(shí)間后斷開(kāi)真空吸盤(pán)的氣路，以節(jié)約用氣量，故要求在兩位五通閥通電、兩位兩通閥斷電狀態(tài)下，兩位兩通閥先通電，延遲一段時(shí)間后，兩位五通閥再斷電，然后兩位兩通閥再斷電。

四、機(jī)械手電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用三菱PLC作為電氣控制，可以減化控制線路，降低故障率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種動(dòng)作線路，具有一定的柔性，也適于教學(xué)演示。一般機(jī)械手有手動(dòng)、自動(dòng)控制之分，手動(dòng)控制主要用來(lái)硬件調(diào)試。自動(dòng)控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按紐回到原位，如果是，則檢測(cè)氣動(dòng)機(jī)械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手執(zhí)行一步動(dòng)作；單周期指執(zhí)行一次動(dòng)作循環(huán)，最后回到初始位置；周循環(huán)則是機(jī)械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動(dòng)作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。根據(jù)機(jī)械手的硬件結(jié)構(gòu)，三菱PLC輸入信號(hào)有：工作狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)輸入、啟動(dòng)停止按鈕輸入、磁性接近開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入、手動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入及程序選擇開(kāi)關(guān)輸入共22個(gè)輸入點(diǎn)；機(jī)械手的輸出信號(hào)有：驅(qū)動(dòng)4個(gè)氣缸的電磁閥線圈4個(gè)，控制真空吸盤(pán)的電磁閥線圈2個(gè)，原點(diǎn)指示燈1個(gè)，共7個(gè)輸出點(diǎn)。選擇輸入點(diǎn)大于22點(diǎn)，輸出點(diǎn)大于7點(diǎn)的三菱PLC，可選擇三菱的FX2n-48MR。

五、機(jī)械手三菱PLC程序設(shè)計(jì)

氣機(jī)械手的控制及動(dòng)作路線由三菱PLC的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前述要求，該程序框架采用調(diào)用子程序方法，在主程序中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的選擇，子程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的復(fù)位和動(dòng)作路線的實(shí)現(xiàn)，這種程序框架邏輯清晰，便于閱讀與修改擴(kuò)展，其程序框架如圖所示。

在搬運(yùn)光盤(pán)的過(guò)程中，光盤(pán)會(huì)越搬越少，故選擇循環(huán)動(dòng)作工作狀態(tài)時(shí)，每次機(jī)械手下降的行程會(huì)逐漸增長(zhǎng)，故程序中沒(méi)有使用升降氣缸的伸出限位開(kāi)關(guān)來(lái)反饋位置信號(hào)，而是以三菱PLC的軟時(shí)間繼電器設(shè)置合適的延遲時(shí)間來(lái)代替，當(dāng)光盤(pán)被搬空時(shí)，升降氣缸伸出限位開(kāi)關(guān)被觸動(dòng)時(shí)，機(jī)械手就自動(dòng)復(fù)位，回初始位置。

結(jié)論

氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、成本低等特點(diǎn)。針對(duì)公司現(xiàn)有的高低溫箱，設(shè)計(jì)了一套小型的用來(lái)放置變送器的立體框架，它采用了三菱PLC控制的氣動(dòng)機(jī)械手，將準(zhǔn)備進(jìn)行高低溫補(bǔ)償?shù)淖兯推鳎胖玫娇蚣苌舷聝蓪拥母鞴の簧?，?shí)現(xiàn)了變送器的高低溫補(bǔ)償系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和三菱PLC控制系統(tǒng)。包括氣動(dòng)原理的制定、氣動(dòng)元件的選擇以及三菱PLC選型和順序功能圖的編寫(xiě)。氣動(dòng)機(jī)械手采用了多位置氣缸，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在框架每層各工位之間的操作；并使機(jī)械手使用氣缸沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在上下兩層之間的操作。本設(shè)計(jì)提高了生產(chǎn)的速度，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力資源，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]楊后川，楊萍，陳勇，張學(xué)明.基于FX2N三菱PLC控制的實(shí)驗(yàn)用氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2009，（2）：25-28.

[2]張還，等.三菱FX系列三菱PLC設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)———原理、應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]孫迎遠(yuǎn).三菱PLC在氣動(dòng)機(jī)械手中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2008，29（9）：151-153.