基于FX2N可编程控制器的机械手控制系统

崔成辰

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院 控制科学与工程系，上海 200093）

0 引言

随着工业技术的高速发展，越来越多的生产采用了流水线操作，而且生产的条件越来越苛刻（人们经常受到高温、腐蚀及有毒物品等因素的危害），所以普通的人力已经无法满足实际工作的需要，为了节约人的体力，机械手就这样诞生了。机械手除了可以像人一样往复地运动，还能够按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸，实现工业生产的机械化和自动化。

本设计拟开发的上下料机械手可在空间抓放工件，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。它采用PLC控制，和传统继电器控制相比较，稳定性更高，接线更简单，抗干扰能力更强，维修更方便；此外还可以简化控制线路，节省成本，进一步提高劳动生产率。

1 机械手系统

1.1 机械手单元控制要求

本文所设计的机械手系统能够实现机械手的伸缩、升降、旋转、夹紧和放松等动作，由底盘、立杆、手臂、手组成。整个机械手系统工作环境如图1所示。

机械手单元的控制要求如下：首先机械手旋转移动到送料传送带（上料工位处），夹紧零件，然后旋转到加工位，放松零件进行加工，随后把加工后的零件夹紧送到卸料传送带（卸料工位处），放下工件，最后机械手回到上料位并恢复初始状态。初始状态时，机械手的立杆最高，手臂最短，手最松。机械手的旋转依靠底盘，底盘由一个旋转直流电机驱动，该电机的正／反旋转控制底盘的顺时针／逆时针旋转；机械手的上升下降依靠立杆完成，立杆由一个直流电机驱动控制，该电机的上行／下行控制机械手的上升／下降；机械手的前进和缩回是由手臂完成，手臂由另一个直流电机驱动控制，该电机的右行／左行控制机械手的前进／缩回；机械手的夹紧和放松也由一个直流电机控制，该电机的右行／左行控制机械手的抓紧／放松。在机械手的各相应位置都有行程开关用于定位。

图1 机械手系统工作图

1.2 工艺流程与动作顺序

机械手的旋转底座共有3个方向，即上料、加工、下料，每个方向相差90°。根据旋转工作台的工艺要求，机械手的工作方式有启动阶段、工作阶段、结束阶段3种模式，分别完成装零件、取零件后再装入和取零件的工作过程。

以典型的加工阶段为例，当上料传送带上检测到有零件后，若旋转工作台发出加工完成信号，机械手定位在加工工位：机械手旋转到加工工位，机械手伸出，手臂下降，夹紧已加工的零件，手臂上升，机械手缩回；机械手旋转到下料工位，机械手伸出，手臂下降，放松已加工的零件，手臂上升，机械手缩回；机械手旋转到上料工位，机械手伸出，手臂下降，夹紧未加工的零件，手臂上升，机械手缩回；机械手旋转到加工工位，机械手伸出，手臂下降，放松未加工的零件，手臂上升，机械手缩回。

若在启动工作阶段，对开始的1～4个零件，只有装料要求，机械手定位在上料工位：机械手旋转到上料工位，机械手伸出，手臂下降，夹紧未加工的零件，手臂上升，机械手缩回；机械手旋转到加工工位，机械手伸出，手臂下降，放松未加工的零件，手臂上升，机械手缩回。

若在结束工作阶段，对最后的4个零件，只有卸料要求，机械手定位在加工工位：机械手旋转到加工工位，机械手伸出，手臂下降，夹紧已加工的零件，手臂上升，机械手缩回；机械手旋转到下料工位，机械手伸出，手臂下降，放松已加工的零件，手臂上升，机械手缩回。

2 控制系统硬件系统结构

控制系统硬件采用三菱FX2N系列PLC，其特点是小型、高速、高性能。根据机械臂的功能要求，系统需要3个点动按钮和15个行程开关来控制电动机的停止位置，故输入点有18个；4个电动机都能分别向2个方向运动，故输出点数有8个，总的输入／输出点数为18／8。这里采用FX2N系列CPU模块1个和I／O模块2个：FX2N－16MR－001基本单元1个，带8点输入／8点继电器输出；FX2N－8EX扩展单元2个，其每个带8点继电器输入。硬件系统总的输入／输出点数为24／8，输入点数多余的6个备用。PLC输出、输入地址分配见表1和表2。

表1 PLC输出地址

按上述工艺及地址描述工作过程，可以把零件安装工作时的流程简单描述为：按启动（X5），旋转电机逆时针旋转（Y1）到上料工位（X24），机械手伸出（Y13）到限位开关（X13），手臂下降（Y15）到限位开关（X15），夹紧未加工的零件（Y11）到限位开关（X11），手臂上升（Y14）到限位开关（X14），机械手缩回（Y12）到限位开关（X22），旋转电机顺时针旋转（Y0）到加工工位（X25），机械手伸出（Y13）到限位开关（X13），手臂下降（Y15）到限位开关（X15），放松未加工的零件（Y10）到限位开关（X10），手臂上升（Y14）到限位开关（X14），机械手缩回（Y12）到限位开关（X22），完成一次零件安装。

表2 PLC输入地址

3 软件系统与程序设计

3.1 程序流程图

程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

3.2 程序设计

条件判断梯形图见图3。

图3 条件判断梯形图

如果待加工零件数D0＞0，而且已经送到加工位的零件数D1≤3，那么将执行启动工作阶段的机械手回初始状态程序，即后续程序是使机械手抬得最高，手臂最短，手最松，并且停在上料工位X24。

如果待加工零件数D0＞0，而且已经送到加工位的零件数D1＞3，那么将执行正常工作阶段的机械手回初始状态程序，即后续程序是使机械手抬得最高，手臂最短，手最松。由于正常工作阶段要循环两次抓放物料，因此设正常工作状态下记录抓放次数的计数器C4计数值为1，即第1次C4为0，第2次置1，那么第1次机械手停在加工位X25，第2次停在上料工位X24。

如果待加工零件数D0＝0，而且已经送到加工位的零件数D1＞3，那么将执行结束工作阶段的机械手回初始状态程序，即后续程序是使机械手抬得最高，手臂最短，手最松，并且停在加工位X25。

4 结束语

本文阐述了以三菱FX2N可编程控制器为控制核心的工业机械臂控制系统，该系统结构紧凑，简单又实用，在某企业的生产线上24 h连续运行，运行平稳可靠。与原有的人工工作方式相比，极大地提高了生产效率。

［1］ 钟肇新.可编程序控制器原理及应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2002.

［2］ 郝晓弘，张萍.FX2N系列PLC在电梯变频调速控制系统中的应用［J］.PLC＆FA，2005（12）：50－53.

［3］ 魏志强，孙旭光，王益群，等.可编程控制器在气动机械手控制中的应用［J］.液压与气动，2009（6）：18－20.

［4］ 蒋少茵.PLC控制的机械手［J］.测控自动化，2004（6）：17－18.

［5］ 史国生，崔洪斌.PLC在机械手步进控制中的应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2001（8）：25－27.

［6］ 杨存智.PLC在自动化生产机械手中的应用［J］.机床电器，2006，33（1）：38－40.

［7］ 彭坚.气动机械手PLC控制系统设计［J］.电工技术，2004（6）：23－24.

［8］ 张建民.机电一体化系统设计［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［9］ 高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［10］ 章文浩.可编程序控制器原理及试验［M］.北京：国防工业出版社，2003.