隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制已經(jīng)成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手不僅對環(huán)境適應(yīng)性強、能持久、耐勞、動作準確、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)省了大量的勞動力，因此機械手已經(jīng)受到很多部門的重視，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。本節(jié)將對機械手的PLC控制過程進行詳細說明。

    一、工藝流程與操作方式

    圖8-1所示為搬運機械手的工作示意圖，該機械手是一個水平/垂直位移的機械設(shè)備，運動過程并不復(fù)雜，一共有6個動作，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搬到右工作臺，由重新接近開關(guān)來檢測工作臺上有沒有工件。

    圖8-1    搬運機械手工作時的動作

    機械手通常位于原點，所有的動作均由氣缸驅(qū)動，而氣缸則由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升與下降、左移與右移動作均由雙線圈二位電磁閥控制，即當下降電磁閥通電時，機械手下降；下降電磁閥斷電時，機械手停止下降。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升。機械手的夾緊和放松由一個單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥）來控制，線圈通電時夾緊，斷電時放松。

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

    圖8-2    搬運機械手的動作順序和檢測元件、執(zhí)行元件的布囂示意圖

    為保證安全，當機械手右移到位準備下降時，必須確保右工作臺上沒有工件時才能下降，若上一次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應(yīng)自動暫時等待。可以使用一個光電開關(guān)來檢測右工作臺上有無工件。

    (2)操作方式。搬運機械手的操作方式可化分為手動操作和自動操作兩類，自動操作又可進一步劃分為單步、單周期以及連續(xù)操作。

    1)手動操作。利用按鈕對機械手的每一個動作單獨進行控制，例如，選擇夾緊/放松運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放松。上下運動時，按下“下降”按鈕，機械手下降，按“上升”按鈕，機械手上升。

    2)單步操作。每按一下啟動按鈕，機械手完成一步的動作后自動停止。

    3)單周期操作。按下啟動按鈕，從原點開始，機械手自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。

    4)連續(xù)操作。機械手從原點開始，每按一次啟動按鈕，機械手將按工序自動反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕，機械手自動停機。

    二、硬件設(shè)計

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

    圖8-3    操作臺面板布置示意圖

    (2)輸入、輸出信號分析。輸入信號是將機械手的工作狀態(tài)和操作信息提供給PLC，PLC的輸入信號共有18個輸入信號點，需占用18個輸入端子。具體分配如下：“操作方式”選擇開關(guān)有手動、單步、單周期和連續(xù)4種工作方式，需要4個輸入端子；手動操作時，需要下降、上升、右移、左移、夾緊、放松、回原點7個按鈕，需要7個輸入端子；自動工作時，需要啟動按鈕、停止按鈕，需要用2個輸入端子；位置檢測信號有上限、下限、左限、右限4個行程開關(guān)，需要4個輸入端子；“無工件”檢測信號采用光電開關(guān)作檢測元件，需要1個輸入端子。總計需要18個輸入端子。

    輸出信號用來控制機械手的上升、下降、左移、右移和夾緊5個電磁閥線圈，需要5個輸出點；此外，機械手從原點開始工作，需要1個原點指示燈，要占用1個輸出端子。所以，共需要6個輸出端子。

    (3) PLC的輸入/輸出分配表。根據(jù)對機械手的輸入/輸出信號的分析，可編寫如表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	地址	名稱	功能說明
18路數(shù)字輸入信號
1	I0.0	按鈕	啟動機械手動作
2	I0.1	限位開關(guān)	指示機械手的運動下限
3	I0.2	限位開關(guān)	指示機械手的運動上限
4	I0.3	限位開關(guān)	指示機械手的右移運動極限
5	I0.4	限位開關(guān)	指示機械手的左移運動極限
6	I0.5	光電開關(guān)	檢測工作臺上有無工件
7	I0.6	按鈕	停止機械手工作
8	I0.7	選擇開關(guān)	手動操作方式選擇開關(guān)
9	I1.0	選擇開關(guān)	單步操作方式選擇開關(guān)
10	I1.1	選擇開關(guān)	單周期操作方式選擇開關(guān)
11	I1.2	選擇開關(guān)	連續(xù)操作方式選擇開關(guān)
12	I1.3	按鈕	選擇下降運動
13	I1.4	按鈕	選擇上升運動
14	I1.5	按鈕	選擇右移
15	I1.6	按鈕	選擇左移
16	I1.7	按鈕	選擇夾緊動作
17	I1.8	按鈕	選擇放松動作
18	I1.9	按鈕	復(fù)位按鈕，使機械手復(fù)位
6路數(shù)字輸出信號
1	Q0.0	電磁閥	控制機械手的下降移動
2	Q0.0	電磁閥	控制機械手的夾緊動作
3	Q0.2	電磁閥	控制機械手的上升移動
4	Q0.3	電磁閥	控制機械手向右移動
5	Q0.4	電磁閥	控制機械手向左移動
6	Q0.5	指示燈	指示機械手是否回到原點

    (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，本實例中PLC選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC中的CPU226，S7-200 CPU226共有24個輸入端子，16個輸出端子，采用繼電器輸出型，完全可以滿足本實例的控制需求。

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

    圖8-4    PLC控制的機械手的外部接線圖

    三、PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計

    為了便于編程，在設(shè)計軟件時常將公用程序、手動程序和自動程序分別編出相對獨立的程序段，再用條件跳轉(zhuǎn)指令進行選擇。搬運機械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖8-5所示。系統(tǒng)運行時首先執(zhí)行公用程序，然后當選擇手動工作方式時，I0.7接通并跳轉(zhuǎn)至手動程序執(zhí)行；當選擇自動工作方式，然后當選擇手動工作方式時，I0.7接通并跳轉(zhuǎn)至手動程序執(zhí)行；當選擇自動工作方式（單步、單周期、連續(xù)）時，I1.0、I1.1或I1.2接通則跳轉(zhuǎn)至自動程序執(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

    左限位開關(guān)I0.4、上限位開關(guān)I0.2的動合觸點和表示機械手夾緊的Q0.1的動斷觸點的串聯(lián)電路接通時，“原點條件”S0.0變?yōu)镺N。當機械手處于原點狀態(tài)(S0.0為ON)，在開始執(zhí)行用戶程序(SM0.1為ON)、系統(tǒng)處于手動狀態(tài)或自動回原點狀態(tài)(I0.7或I2.1為ON)時，初始步對應(yīng)的M0.0將被置位，為進入單步、單周期和連續(xù)工作方式做好準備。如果此時S0.0為OFF狀態(tài)，M0.0將被復(fù)位，初始步為不活動步，按下啟動按鈕也不能進入步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)手動程序。手動操作不需要按工序順序動作，所以可按普通繼電器程序來設(shè)計。手動操作的梯形圖如圖8-7所示。手動按鈕I0.7、I1.3～I2.1分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、放松和回原點各個動作。為了保證系統(tǒng)的安全運行設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左移動、右移動的梯形圖中加入了I0.2作為上限連鎖，因為機械手只有處于上限位置時，才允許左右移動。

    (3)自動操作流程圖。由于自動操作的動作較復(fù)雜，可先畫出自動操作流程圖，如圖8-8所示，用于表明動作的順序和轉(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，步進控制原理如圖8-9所示。

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

    圖8-7    手動操作的梯形圖

    圖8-8    自動操作流程圖

    圖8-9    步進控制原理圖

    圖8-10    自動控制方式梯形圖

    (a)梯形圖；(b)語句表