隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制已經(jīng)成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手不僅對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能持久、耐勞、動(dòng)作準(zhǔn)確、靈活性好、能很好地適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，而且提高了工作效率，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，因此機(jī)械手已經(jīng)受到很多部門(mén)的重視，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。本節(jié)將對(duì)機(jī)械手的PLC控制過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

    一、工藝流程與操作方式

    圖8-1所示為搬運(yùn)機(jī)械手的工作示意圖，該機(jī)械手是一個(gè)水平/垂直位移的機(jī)械設(shè)備，運(yùn)動(dòng)過(guò)程并不復(fù)雜，一共有6個(gè)動(dòng)作，分為3組，即上升/下降、左移/右移、夾緊/放松。其操作是將工件從左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)，由重新接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)工作臺(tái)上有沒(méi)有工件。

    圖8-1    搬運(yùn)機(jī)械手工作時(shí)的動(dòng)作

    機(jī)械手通常位于原點(diǎn)，所有的動(dòng)作均由氣缸驅(qū)動(dòng)，而氣缸則由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升與下降、左移與右移動(dòng)作均由雙線圈二位電磁閥控制，即當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止下降。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升。機(jī)械手的夾緊和放松由一個(gè)單線圈二位電磁閥（稱(chēng)為夾緊電磁閥）來(lái)控制，線圈通電時(shí)夾緊，斷電時(shí)放松。

    (1)機(jī)械手工藝流程。機(jī)械手的動(dòng)作順序和檢測(cè)元件、執(zhí)行元件的布置示意圖如圖8-2所示。機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動(dòng)按鈕后，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降過(guò)程中，碰到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，下降電磁閥斷電，下降動(dòng)作停止。同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊工件，夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升過(guò)程中，碰到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，上升電磁閥斷電，上升過(guò)程停止。同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移過(guò)程中，碰到右限位開(kāi)關(guān)時(shí)，右移電磁閥斷電，右移過(guò)程結(jié)束。如果此時(shí)工作臺(tái)上沒(méi)有工件，則光電開(kāi)關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降過(guò)程中，碰到下限位開(kāi)關(guān)時(shí)，下降電磁閥斷電，下降過(guò)程結(jié)束。同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松，在合適的位置放下工件。放完工件后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升，上升過(guò)程中，碰到上限位開(kāi)關(guān)時(shí)，上升電磁閥斷電，上升過(guò)程結(jié)束。同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手向左移動(dòng)，直到碰到左限位開(kāi)關(guān)后，左移電磁閥斷電，左移過(guò)程結(jié)束，此時(shí)機(jī)械手回到原點(diǎn)。至此，機(jī)械手完成了一個(gè)周期的動(dòng)作。

    圖8-2    搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)作順序和檢測(cè)元件、執(zhí)行元件的布囂示意圖

    為保證安全，當(dāng)機(jī)械手右移到位準(zhǔn)備下降時(shí)，必須確保右工作臺(tái)上沒(méi)有工件時(shí)才能下降，若上一次搬到右工作臺(tái)上的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫時(shí)等待。可以使用一個(gè)光電開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)右工作臺(tái)上有無(wú)工件。

    (2)操作方式。搬運(yùn)機(jī)械手的操作方式可化分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩類(lèi)，自動(dòng)操作又可進(jìn)一步劃分為單步、單周期以及連續(xù)操作。

    1)手動(dòng)操作。利用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，例如，選擇夾緊/放松運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手夾緊；按下停止按鈕，機(jī)械手放松。上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下“下降”按鈕，機(jī)械手下降，按“上升”按鈕，機(jī)械手上升。

    2)單步操作。每按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步的動(dòng)作后自動(dòng)停止。

    3)單周期操作。按下啟動(dòng)按鈕，從原點(diǎn)開(kāi)始，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作，返回原點(diǎn)后停止。

    4)連續(xù)操作。機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手將按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手自動(dòng)停機(jī)。

    二、硬件設(shè)計(jì)

    (1)操作面板設(shè)計(jì)。根據(jù)以上控制要求以及操作方式，可設(shè)計(jì)如圖8-3所示的操作臺(tái)面板布置示意圖。

    圖8-3    操作臺(tái)面板布置示意圖

    (2)輸入、輸出信號(hào)分析。輸入信號(hào)是將機(jī)械手的工作狀態(tài)和操作信息提供給PLC，PLC的輸入信號(hào)共有18個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn)，需占用18個(gè)輸入端子。具體分配如下：“操作方式”選擇開(kāi)關(guān)有手動(dòng)、單步、單周期和連續(xù)4種工作方式，需要4個(gè)輸入端子；手動(dòng)操作時(shí)，需要下降、上升、右移、左移、夾緊、放松、回原點(diǎn)7個(gè)按鈕，需要7個(gè)輸入端子；自動(dòng)工作時(shí)，需要啟動(dòng)按鈕、停止按鈕，需要用2個(gè)輸入端子；位置檢測(cè)信號(hào)有上限、下限、左限、右限4個(gè)行程開(kāi)關(guān)，需要4個(gè)輸入端子；“無(wú)工件”檢測(cè)信號(hào)采用光電開(kāi)關(guān)作檢測(cè)元件，需要1個(gè)輸入端子。總計(jì)需要18個(gè)輸入端子。

    輸出信號(hào)用來(lái)控制機(jī)械手的上升、下降、左移、右移和夾緊5個(gè)電磁閥線圈，需要5個(gè)輸出點(diǎn)；此外，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始工作，需要1個(gè)原點(diǎn)指示燈，要占用1個(gè)輸出端子。所以，共需要6個(gè)輸出端子。

    (3) PLC的輸入/輸出分配表。根據(jù)對(duì)機(jī)械手的輸入/輸出信號(hào)的分析，可編寫(xiě)如表8-1所示的PLC輸入/輸出分配表。

    表8-1    PLC輸入/輸出分配表

序號(hào)	地址	名稱(chēng)	功能說(shuō)明
18路數(shù)字輸入信號(hào)
1	I0.0	按鈕	啟動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作
2	I0.1	限位開(kāi)關(guān)	指示機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)下限
3	I0.2	限位開(kāi)關(guān)	指示機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)上限
4	I0.3	限位開(kāi)關(guān)	指示機(jī)械手的右移運(yùn)動(dòng)極限
5	I0.4	限位開(kāi)關(guān)	指示機(jī)械手的左移運(yùn)動(dòng)極限
6	I0.5	光電開(kāi)關(guān)	檢測(cè)工作臺(tái)上有無(wú)工件
7	I0.6	按鈕	停止機(jī)械手工作
8	I0.7	選擇開(kāi)關(guān)	手動(dòng)操作方式選擇開(kāi)關(guān)
9	I1.0	選擇開(kāi)關(guān)	單步操作方式選擇開(kāi)關(guān)
10	I1.1	選擇開(kāi)關(guān)	單周期操作方式選擇開(kāi)關(guān)
11	I1.2	選擇開(kāi)關(guān)	連續(xù)操作方式選擇開(kāi)關(guān)
12	I1.3	按鈕	選擇下降運(yùn)動(dòng)
13	I1.4	按鈕	選擇上升運(yùn)動(dòng)
14	I1.5	按鈕	選擇右移
15	I1.6	按鈕	選擇左移
16	I1.7	按鈕	選擇夾緊動(dòng)作
17	I1.8	按鈕	選擇放松動(dòng)作
18	I1.9	按鈕	復(fù)位按鈕，使機(jī)械手復(fù)位
6路數(shù)字輸出信號(hào)
1	Q0.0	電磁閥	控制機(jī)械手的下降移動(dòng)
2	Q0.0	電磁閥	控制機(jī)械手的夾緊動(dòng)作
3	Q0.2	電磁閥	控制機(jī)械手的上升移動(dòng)
4	Q0.3	電磁閥	控制機(jī)械手向右移動(dòng)
5	Q0.4	電磁閥	控制機(jī)械手向左移動(dòng)
6	Q0.5	指示燈	指示機(jī)械手是否回到原點(diǎn)

    (4) PLC選型。根據(jù)表8-1所示的輸入/輸出分配表，參看第2章中的表2-1，本實(shí)例中PLC選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC中的CPU226，S7-200 CPU226共有24個(gè)輸入端子，16個(gè)輸出端子，采用繼電器輸出型，完全可以滿足本實(shí)例的控制需求。

    (5) PLC硬件接線圖。根據(jù)前述的輸入/輸出信號(hào)分析，可設(shè)計(jì)如圖8-4所示的PLC的輸入/輸出接線圖。

    圖8-4    PLC控制的機(jī)械手的外部接線圖

    三、PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    為了便于編程，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)常將公用程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序分別編出相對(duì)獨(dú)立的程序段，再用條件跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行選擇。搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖8-5所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先執(zhí)行公用程序，然后當(dāng)選擇手動(dòng)工作方式時(shí)，I0.7接通并跳轉(zhuǎn)至手動(dòng)程序執(zhí)行；當(dāng)選擇自動(dòng)工作方式，然后當(dāng)選擇手動(dòng)工作方式時(shí)，I0.7接通并跳轉(zhuǎn)至手動(dòng)程序執(zhí)行；當(dāng)選擇自動(dòng)工作方式（單步、單周期、連續(xù)）時(shí)，I1.0、I1.1或I1.2接通則跳轉(zhuǎn)至自動(dòng)程序執(zhí)行。

    圖8-5    控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

    (1)公用程序。公用程序用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及不同的工作方式之間相互切換的處理，公用程序如圖8-6所示。

    圖8-6    公用程序

    左限位開(kāi)關(guān)I0.4、上限位開(kāi)關(guān)I0.2的動(dòng)合觸點(diǎn)和表示機(jī)械手夾緊的Q0.1的動(dòng)斷觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，“原點(diǎn)條件”S0.0變?yōu)镺N。當(dāng)機(jī)械手處于原點(diǎn)狀態(tài)(S0.0為ON)，在開(kāi)始執(zhí)行用戶程序(SM0.1為ON)、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)回原點(diǎn)狀態(tài)(I0.7或I2.1為ON)時(shí)，初始步對(duì)應(yīng)的M0.0將被置位，為進(jìn)入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。如果此時(shí)S0.0為OFF狀態(tài)，M0.0將被復(fù)位，初始步為不活動(dòng)步，按下啟動(dòng)按鈕也不能進(jìn)入步M2.0，系統(tǒng)不能在單步、單周期和連續(xù)工作方式下工作。

    (2)手動(dòng)程序。手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作，所以可按普通繼電器程序來(lái)設(shè)計(jì)。手動(dòng)操作的梯形圖如圖8-7所示。手動(dòng)按鈕I0.7、I1.3～I(xiàn)2.1分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、放松和回原點(diǎn)各個(gè)動(dòng)作。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左移動(dòng)、右移動(dòng)的梯形圖中加入了I0.2作為上限連鎖，因?yàn)闄C(jī)械手只有處于上限位置時(shí)，才允許左右移動(dòng)。

    (3)自動(dòng)操作流程圖。由于自動(dòng)操作的動(dòng)作較復(fù)雜，可先畫(huà)出自動(dòng)操作流程圖，如圖8-8所示，用于表明動(dòng)作的順序和轉(zhuǎn)換條件，然后再根據(jù)所采用的控制方法設(shè)計(jì)程序。矩形框表示“工步”，相鄰兩工步用有向線段連接，表明轉(zhuǎn)換的方向。小橫線表示轉(zhuǎn)換的條件，如轉(zhuǎn)換條件得到滿足，則程序從上一工步轉(zhuǎn)到下一工步，步進(jìn)控制原理如圖8-9所示。

    (4)自動(dòng)程序設(shè)計(jì)。根據(jù)自動(dòng)操作流程就可以畫(huà)出自動(dòng)控制程序的梯形圖，如圖8-10所示。

    圖8-7    手動(dòng)操作的梯形圖

    圖8-8    自動(dòng)操作流程圖

    圖8-9    步進(jìn)控制原理圖

    圖8-10    自動(dòng)控制方式梯形圖

    (a)梯形圖；(b)語(yǔ)句表