基于PLC的气动机械手设计及其控制
2 机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2.1 机械手的座标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。
所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。
图2-1 机械手的运动示意图
2.2 机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
3 气动系统设计
3．1 气压传动系统工作原理图
图3-1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机 (压力约为3～8Kgf/cm2)通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。
图3-1 机械手气压传动系统工作原理图
3.2 PLC模块选型及介绍
由控制要求可知，本控制系统是一个15点输入，9点输出的系统，设计中采用三菱FX2N系列的基本单元模块，采用继电器输出方式，故可选用的模块有：FX2N-32MR-001、FX2N-48MR-001、FX2N-64MR-001、FX2N-80MR-001、FX2N-128MR-001，本设计选用FX2N-48MR-001，其输入点数为24，输出点数为24，都大于控制系统的控制要求点数，所以不需要扩展单元[8]。
对于所选模块FX2N-48MR-001，其中：FX2N为系列名称，48为I/O点数，M表示模块为基本单元，R表示继电器输出形式（其他输出形式：S为三端双向可控硅开关元件输出，T为晶体管输出），001表示其他区分（电源）[9]。
FX2N-48MR-001是采用交流220V电源供电，其模块简图如图5-3所示：
图5-3 FX2N-48MR-001模块简图
4 安装维护
4.1 扩展设备组成
在本设计中，控制对象为一单一独立动作的机械手，然而在实际的工况中，除了用PLC控制机械手以外，可能还有其他的辅助控制对象，或者用PLC控制多台不同动作流程的机械手，这时当I/O点数大于CPU模块提供的I/O点数时，则需进行I/O扩展，使实际需要的I/O点数≤（基本单元＋扩展单元＋扩展模块＋特殊模块）的I/O点数。
其扩展的示意图如图4-1所示。
1）FX2N基本单元右侧可以接a组或者b组，接b组时，须一定用FX2N-CNV-IF型转换电缆。但是，一旦和b组连接之后，就不能再接a组的扩展设备了。
5 机械手移动工件控制系统程序设计
5.1 编程软件及应用
由于本设计采用的是三菱FX2N-48MR-001模块，故选择三菱GX Developer编程软件。GX-Developer是三菱公司所制作的PLC编程软件，它包含了LLT仿真软件，用户可在个人计算器上模仿PLC的运作情况，大大减低测试的时间。它可以对三菱的所有PLC进行编程，包括FX系列PLC、A系列PLC和Q系列PLC。
它对计算机要求的最低配置为：
1）Pentium级CPU，主频90MHz或者更快。
2）最少16MB内存配置，40MB硬盘空间。
3）微软Windows环境（Microsoft Windows95 或者更新版本，或Microsoft WindowsNT 4.0 Service Pack3 或者更新版本）。
4）800×600 SVGA或者更高分辨率显示系统。
当程序编辑完成以后，运行程序，程序自动写入PLC的存储器，若以后固定使用该程序，则可拔除RS-232C数据通讯线，用CPU模块自带的RUN/STOP开关来运行/停止程序。需要改动程序时，先将PLC设定在STOP的状态下，连接PC，运行GX-Developer编程软件，修改程序并写入PLC存储器，也可使用编程器进行编程和程序修改[11]。
5.2 程序流程图
1）正常运行流程图
正常运行的流程图如图5-1所示：
6 机械手移动工件控制系统PLC程序
6.1 系统资源分配
1）数字输入部分
这个控制系统的输入有启动按钮，停止按钮，急停按钮，上、下、前、后、松限位开关，手动，单步，单周期，连续操作方式选择，正/反、上/下、夹/松运动选择共15输入点，具体的输入分配如下：
x000 → 启动按钮
x001 → 停止按钮
x002 → 急停按钮
x003 → 上限位开关
x004 → 下限位开关
x005 → 后限位开关
x006 → 前限位开关
x007 → 松限位开关
x010 → 手动操作方式选择
x011 → 单步操作方式选择
x012 → 单周期操作方式选择
x013 → 连续操作方式选择
x014 → 左/右运动选择
x015 → 夹/松运动选择
X016 → 上/下运动选择
2）数字量输出部分
这个控制系统需要控制的外部设备有正转/反转旋转电磁阀线圈，正转/反转旋转电磁阀线圈，正转/反转旋转电磁阀线圈3个设备和一个原点指示灯，每个电磁阀线圈有两个状态，所以输出点应该有7点。具体的输出分配如下：
Y000 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(正转)
Y001 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(反转)
Y002 → 正转/反转旋转电磁阀线圈(上升)
Y003 → 上升/下降电磁阀线圈(下降)
Y004 →正转/反转旋转电磁阀线圈(夹紧)
Y005 → 夹紧/放松电磁阀线圈(放松)
Y006 → 原点指示