三菱PLC控制的机械手系统设计

摘 要：由于气动机械手具有结构简单、成本低，控制方便等优点，并可以根据各种自动化设备的工作需要，按照设定的程序工作，因此它在自动生产设备和生产线上被广泛应用。由于企业需要对变送器进行高低温补偿，针对公司现有的提供补偿所用的高低温箱，设计了一套小型的用来放置变送器的立体框架，它采用了三菱PLC控制的气动机械手将准备进行高低温补偿的变送器，放置到框架上下两层的各工位上。在详细研究了气动机械手的结构、动作循环及工作原理之后，根据该气动机械手的工作流程，设计了气压传动系统和三菱PLC控制系统。包括气动原理的制定、气动元件的选择以及三菱PLC选型和顺序功能图的编写。气动机械手采用多位置气缸，以实现机械手在框架每层各工位之间的操作；并使机械手操作气缸沿立柱上下运动，以实现机械手在上下两层之间的操作。

关键词：机械手；PLC；控制系统

一、机械手的单个工作流程

机械手移动到传送带B工件处夹紧工件――将工件移动到指定位置传送带A―放下工件―机械手回到初始位置五个过程完成，机械手通过三菱PLC来控制，可实现这五个过程全自动依次运行：A）械手移动到工件B处：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带B）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；B）工件移动到指定位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到工件（传送带A）处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制；）C夹放工件：通过夹紧/放下直流电机的正转来控制，夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间（本系统设为55），在这个时间内机械手能完全夹紧工件；D）放下工件：通过夹紧/放下直流电机的反转来控制，通过松限开关来控制；E）机械手回到初始位置：机械手分别通过步进电机及直流电机来控制，使得机械手移到初始位置处，移动的最大位置通过相应的限位开关来控制。

二、机械手的操作方式

机械手的操作方式可分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。（1）手动：用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制，如：当选择上/下运动时，按下起动按钮，机械手上升，按下停止按钮，机械手下降；当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移，按下停止按钮，机械手右移；当选择夹紧/放松按钮时，按下起动按钮，机械手夹紧，按下停止按钮，机械手放松，该方式用于机械手系统的“回原位”操作本系统中，可用手动方式用于机械手的初始状态定位，用操作面板上的按钮来点动执行相应的各动作；（2洋步：每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后，自动停止；（3洋周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后，返回原位（如果在动作过程中，按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下起动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位），本系统采用单周期方式进行机械手的工艺过翟机械手移动到传送带B工件处―夹紧工件―将工件移动到指定位置传送带A―放下工件―机械手回到初始位置）；（4涟续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮SB3，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环，在工作中，若按一下停止按钮SB4，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

三、C械手气动系统设计

气动机械手硬件系统由四个气缸、三个真空吸盘、限位磁性接近开关、5个两位五通电磁气阀和1个两位两通电磁气阀组成的阀岛、控制面板、接线端子、三菱PLC、按钮开关及指示灯等相关电气元件组成。当按钮开关或磁性接近开关发出信号传递到三菱PLC输入端子，经过三菱PLC程序处理，三菱PLC发出动作控制信号驱动相应主控阀电磁线圈的通断，控制压缩空气的运动方向，使气缸产生对应的动作。要实现前述控制任务要求，其控制部分包括气动回路与三菱PLC控制部分。气动机械手的气压控制回路如图3所示。气源产生压缩空气，经三联件处理后，经两位五通阀和单向节流阀分别进入滑台气缸、回转气缸、悬臂气缸、升降气缸。两位五通阀电磁线圈的通断决定了气缸的动作，比如控制滑台气缸的二位五通阀通电时，滑台气缸本体（缸体）左移；断电时滑台气缸本体（缸体）右移。本机械手选择两位阀，而没有选择具有中位机能的三位阀，主要是为了减少控制信号，减少三菱PLC的输出点数。单向节流阀的作用是调节气缸的运动速度，产生一定的背压缓冲。对真空吸盘吸光盘的过程，当真空发生器通过高压气体时，产生一定的真空度，实现吸光盘，此时，两位五通阀处于通电状态，两位两通阀处于断电状态。对放光盘的过程，要求高压气体先经两位两通阀，通过真空吸盘将吸附的光盘吹落，延迟一段时间后断开真空吸盘的气路，以节约用气量，故要求在两位五通阀通电、两位两通阀断电状态下，两位两通阀先通电，延迟一段时间后，两位五通阀再断电，然后两位两通阀再断电。

四、机械手电气系统设计

应用三菱PLC作为电气控制，可以减化控制线路，降低故障率，实现机械手多种动作线路，具有一定的柔性，也适于教学演示。一般机械手有手动、自动控制之分，手动控制主要用来硬件调试。自动控制中也分单步、单周期、周期循环等工作状态。其控制要求为：按下启动按钮，检测气动机械手是否处于原位，如果不是，按下复位按纽回到原位，如果是，则检测气动机械手处于何种工作状态下，单步意味着每按下一次启动按钮，机械手执行一步动作；单周期指执行一次动作循环，最后回到初始位置；周循环则是机械手重复不断的执行动作，直到按下复位或停止按钮为止。根据机械手的硬件结构，三菱PLC输入信号有：工作状态选择开关输入、启动停止按钮输入、磁性接近开关信号输入、手动开关输入及程序选择开关输入共22个输入点；机械手的输出信号有：驱动4个气缸的电磁阀线圈4个，控制真空吸盘的电磁阀线圈2个，原点指示灯1个，共7个输出点。选择输入点大于22点，输出点大于7点的三菱PLC，可选择三菱的FX2n-48MR。

五、机械手三菱PLC程序设计

气机械手的控制及动作路线由三菱PLC的程序来实现，根据前述要求，该程序框架采用调用子程序方法，在主程序中实现机械手工作状态的选择，子程序实现机械手的复位和动作路线的实现，这种程序框架逻辑清晰，便于阅读与修改扩展，其程序框架如图所示。

在搬运光盘的过程中，光盘会越搬越少，故选择循环动作工作状态时，每次机械手下降的行程会逐渐增长，故程序中没有使用升降气缸的伸出限位开关来反馈位置信号，而是以三菱PLC的软时间继电器设置合适的延迟时间来代替，当光盘被搬空时，升降气缸伸出限位开关被触动时，机械手就自动复位，回初始位置。

结论

气动机械手具有结构简单、易于控制、成本低等特点。针对公司现有的高低温箱，设计了一套小型的用来放置变送器的立体框架，它采用了三菱PLC控制的气动机械手，将准备进行高低温补偿的变送器，放置到框架上下两层的各工位上，实现了变送器的高低温补偿系统。并设计了气压传动系统和三菱PLC控制系统。包括气动原理的制定、气动元件的选择以及三菱PLC选型和顺序功能图的编写。气动机械手采用了多位置气缸，以实现机械手在框架每层各工位之间的操作；并使机械手使用气缸沿立柱上下运动，以实现机械手在上下两层之间的操作。本设计提高了生产的速度，减轻了工人的劳动强度，节约了人力资源，具有很强的实用性。

参考文献

[1]杨后川，杨萍，陈勇，张学明.基于FX2N三菱PLC控制的实验用气动机械手设计[J].液压与气动，2009，（2）：25-28.

[2]张还，等.三菱FX系列三菱PLC设计与开发―――原理、应用与实训[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]孙迎远.三菱PLC在气动机械手中的应用[J].煤矿机械，2008，29（9）：151-153.