【導讀】氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本設(shè)計機械手主要用于物料的運輸。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，本設(shè)計介紹的是機械手模型基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計。國家級期刊主管單位是國家部門或直屬部門。

　　

【正文】 置待命。當旋鈕打向連續(xù)時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。圖51 控制面板示意圖 PLC梯形圖中的編程元件設(shè)計選用FX1N－60MR，其輸入繼電器（X）36點，輸出繼電器(Y)24點，輔助繼電器(M)384點，狀態(tài)繼電器(S)1000點，定時器(T)256點，計數(shù)器(C)，數(shù)據(jù)寄存器(D)等。特殊輔助繼電器M8000——運行監(jiān)控（PLC運行時自動接通，停止時斷開）；M8002——初始脈沖（僅在PLC運行開始時接通一個掃描周期）；M8005——PLC后備鋰電池電壓過低時接通；M8011——10ms時鐘脈沖； M8013——100ms時鐘脈沖；M8012——1s時鐘脈沖； M8014——1min時鐘脈沖。 PLC的I/O分配根據(jù)機械手動作的要求，輸入、輸出分配如表51所示。表51 PLC輸入/輸出分配表輸入信號輸出信號手動SAX0上升/下降步進電機YA0Y0回原位SAX1YA1Y1連續(xù)SAX2YA2Y2回原位SB1X3前進/后退步進電機YA3Y3啟動SB2X4YA4Y4停止SB3X5YA5Y5下降SB4X6夾緊YA6Y6上升SB5X7手順轉(zhuǎn)YA 7Y7夾緊SB6X10手逆轉(zhuǎn)YA 8Y10松開SB7X11底盤順轉(zhuǎn)YA 9Y11手順轉(zhuǎn)SB8X12底盤逆轉(zhuǎn)YA10Y12手逆轉(zhuǎn)SB9X13底盤順轉(zhuǎn)SB10X14底盤逆轉(zhuǎn)SB11X15下限位SQ1X16上限位SQ2X17前限位SQ3X20后限位SQ4X21底盤順限位SQ5X22底盤逆限位SQ6X23手順限位SQ7X24手逆限位SQ8X25底旋轉(zhuǎn)脈沖X26前行SB12X30后退SB13X31 機械手控制系統(tǒng)的外部接線圖PLC外部電氣接線圖如下圖52 圖52 PLC外部電氣接線 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序總體結(jié)構(gòu)如圖53，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，因它們的工作順序相同所以可將它們和編在一起。CJ（FNC00）是條件跳轉(zhuǎn)應(yīng)用指令，指針標號PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間。如果選擇“手動”工作方式，即X0為ON，X1為OFF則PLC執(zhí)行完公用程序后將跳過自動程序到P0處，由于X0動斷觸點斷開所以直接執(zhí)行“手動程序”。由于P1處的X1的動斷觸點閉合，所以又跳過回原位程序到P2處。如果選擇“回原位”工作方式，同樣只執(zhí)行公用程序和回原位程序，如果選擇“連續(xù)”方式，則只執(zhí)行公用程序和自動程序。公用程序如圖54，簡要說明如下：當Y6復位（電磁閥松開）、后限位X21和上限位X17接通時，輔助繼電器M0變?yōu)镺N，表示機械手在原位。如果開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON）、系統(tǒng)處于手動或回原位狀態(tài)（X0或X1為ON），那么初始步對應(yīng)的M10被置位，連續(xù)工作方式做好準備。如果M0為OFF，M10被復位，系統(tǒng)不能進入連續(xù)工作方式。指令ZRST是成批復位應(yīng)用指令，以防止系統(tǒng)從自動方式轉(zhuǎn)換手動方式，再返回自動方式時出現(xiàn)兩種不同的活動步。圖53 程序總的結(jié)構(gòu)圖 圖54公用程序梯形圖 自動操作程序 自動操作順序功能流程圖見圖55所示。當機械手處于原位時，按啟動X4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1，驅(qū)動前伸Y3，當?shù)竭_前限位使行程開關(guān)X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S2，而S1自動復位。驅(qū)動手順轉(zhuǎn)Y7，X24接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S3，驅(qū)動下降Y2，X16接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S4，S4驅(qū)動Y6置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S5，驅(qū)動Y0上升，當上升到達最高位，X17接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S6。S6驅(qū)動Y4后退。移到后限位，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S7底逆轉(zhuǎn)Y12，狀態(tài)到S8，X20接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S9下降。下降到最低位，X16接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S11上升。上升到最高位，X25接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S14，底盤順轉(zhuǎn)是X21接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。自動連續(xù)程序說明：當系統(tǒng)處于自動連續(xù)方式時，X2為ON，它的動合觸點閉合，在初始步時按下啟動按鈕X4，M1得電并保持，就按照圖55自動功能圖進行工作。按下停止按鈕X7后，M1變?yōu)镺FF，系統(tǒng)不會立即停止，而是完成當前的工作周期后，機械手最終停止在原位。根據(jù)自動功能流程圖的順序編寫的自動程序梯形圖為圖56。　如下圖所示。圖中上升/下降，左移/右移都有連鎖和限位保護。手動程序說明：用對應(yīng)機械手的上下前后移動和夾緊松開按鈕。按下不同的按鈕，機械手執(zhí)行相應(yīng)的動作。在前后移動的程序中串聯(lián)上線位置開關(guān)的動合觸點是為了避免機械手在較低位置移動時碰撞其他工件。為保證系統(tǒng)安全運行，程序之間還進行必要的連鎖。 回原位程序回原位程序；在系統(tǒng)處于回原位工作狀態(tài)時，按下回原位按鈕（X3），M3變?yōu)镺N，機械手松開和上升，當升到上限位（X17變?yōu)镺N），機械手后退，直到后限位（X21為ON）才停止，并且M3復位。梯形圖程序經(jīng)過檢驗語法錯誤以及邏輯上的可靠性后,編譯成指令表，以便后傳入PLC中。并可以運用軟件在線監(jiān)測PLC的運行情況，同時可以用手持編程器根據(jù)現(xiàn)場要求修改程序中的各參數(shù)，達到任意位置停止的目的。圖55 自動控制功能流程圖圖56自動程序段梯形圖圖57手動程序梯形圖圖58回原位程序梯形圖 本章小結(jié) 本章首先對控制系統(tǒng)硬件進行了設(shè)計，并確定了PLC梯形圖中的編輯原件，然后繪制了I/O分配表，以及控制系統(tǒng)的外部接線圖，最后對控制系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計，并繪制了梯形圖，以及編輯了控制程序。結(jié) 論 本設(shè)計通過利用三菱公司FX系列PLC的特點,對機械手模型控制系統(tǒng)進行了程序設(shè)計，對按鈕、電磁閥、編碼盤以及其他一些輸入/輸出點進行控制，實現(xiàn)了工業(yè)機械手模型的手動和自動控制。在本次設(shè)計中，采用了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方案，完成了控制電路設(shè)計，在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中根據(jù)控制系統(tǒng)的控制電路完成了PLC梯形圖控制程序，還繪制了系統(tǒng)工作流程圖已經(jīng)外部接線圖等。本設(shè)計主要實現(xiàn)了在PLC指令下對機械手完成如下運動功能：(1)手臂上下直線運動。(2)手臂左右直線運動。(3)手腕旋轉(zhuǎn)運動。(4)手爪夾緊及放松動作。(5)機械手整體旋轉(zhuǎn)運動。本設(shè)計手臂采用步進電機驅(qū)動，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進電動機運轉(zhuǎn),實現(xiàn)手臂的進給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動。其優(yōu)點在于系統(tǒng)程序簡單易懂，控制簡單，上下左右位置定位準確，缺點在于運動效率不夠穩(wěn)定。未來國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。 世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。 隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。參考文獻[1] [M].北京:化學工業(yè)出版社,[2] [M].北京:機械工業(yè)出版社,[3] [P].華中科技大學出版社,.[4] [M].北京:經(jīng)濟管理出版社,.[5] [M].北京:機械工業(yè)出版社,.[6] [M].北京:機械工業(yè)出版社,2008[7] [M].北京:電子工業(yè)出版社,[8] . 可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2009[9] [M].北京:機械工業(yè)出版社,2007[10] 張萬忠,（三菱FX2N系列）[M].北京：中國電力出版社,2007[11] [J].西安交大機械電子工程研究所,CN 441259/TH. 2008:5359.[12] [M].北京:人民郵電出版社,[13] [M]..[14] [M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.[15] [M].北京:高等教育出版社，.[16] [M].北京:化學工業(yè)出版社,.[17] —低成本綜合自動化[M].北京:機械工業(yè)出版社,.[18] [M].北京:機械工業(yè)出版社,.[19] [M].武漢:武漢理工大學出版社,.[20] SMC（中國）[M].北京:機械工業(yè)出版社,.[21] [M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.[22] [M].北京:機器人技術(shù)與應(yīng)用論壇,2006.[23] [J].機械設(shè)計1999年第3期,第3卷,2425.[24] 高微,楊中平,[J].,3033.[25] 孫兵,趙斌,[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006[26] 馬光,[J].中國期刊全文數(shù)據(jù)庫2002年第3期,1620[27] [J].中國期刊全文數(shù)據(jù)庫2005年第4期,5054[28] [J].制造技術(shù)與機床2005年第7期,3236[29] 李杜莉,武洪恩,[J].煤礦機械2007年2月第2期,4752[30] （第三版）[M].北京:化學工業(yè)出版社,1994[31] Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. 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New York and Basel, 2007,10~23 致 謝在這四年中我學到了許多專業(yè)知識，提高了理論與實踐相結(jié)合的能力，提高了自學能力，這都得感謝老師的細心教導和培養(yǎng)，在此，我向給予我教育和幫助的老師說聲謝謝。在校期間所學到的東西應(yīng)該對我以后工作和生活有很大幫助。經(jīng)過近半年的努力我終于完成了這篇論文，PLC課程是我們的主要課程，自從接觸了這門課程我便對她產(chǎn)生了濃厚的興趣，所以在做畢業(yè)設(shè)計時我毅然的選擇了PLC設(shè)計。本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產(chǎn)品，沒有老師的指引和贈予，沒有同學和朋友的幫助和支持，我得畢業(yè)設(shè)計也不會完成。當我打完畢業(yè)論文的最后一個字符，涌上心頭的不是長途跋涉后抵達終點的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意?；厥走@幾個月來的設(shè)計過程，可以說是收獲良多，也付出了不少心力。它檢驗了我對PLC這門課程的掌握程度，通過老師們和同學們的幫助今天我的設(shè)計終于做完了。雖然在畢業(yè)設(shè)計中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領(lǐng)會了各項知識。面對問題仔細揣摩，查閱各方文件資料，也得到老師和同學的幫助。我首先要感謝我的導師竇建華老師，竇老師每周安排見面會，身體力行、兢兢業(yè)業(yè)地為我們排憂解難，對我們的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育。竇老師不僅治學嚴謹而且為人師表，堪稱良師益友，教給我們的不僅是知識還有待人處世的積極態(tài)度，在此表示衷心的感謝。我還要感謝其他帶畢業(yè)設(shè)計的老師在本次設(shè)計中給予我們幫助和指導！也感謝對本次設(shè)計提供幫助的人。最后感謝培育我四年的黑龍江工程學院！