摘要：本文以三菱FX1N系列PLC为基础，介绍PLC在三维教学机械手步进控制指令（STL）中的设计与应用。该程序已在竞赛模拟三维机械手中获得了应用，具有稳定、可靠的性能。
论文关键词：PLC,三维机械手,步进控制
随着自动化控制领域的不断发展，智能机械手的不断推新，机器人手臂的智能化程度不断提升，连续多角度控制的机器人手臂的出现，给机械手的教学带来了新的挑战。原来的教学机械手均以两维空间模拟仿真教学为主。自2007年全国电工电子技能大赛以来，三维空间的机械手的教学需求尤为突出。
一、三维机械手的硬件结构
图1所示是该三维机械手的实物图。整个三维机械手能完成八个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。磁性传感器用来检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。手爪抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。旋转气缸用来控制机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。接近传感器用来判断机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。双杆气缸用来控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。缓冲器对旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。
二、三维机械手的动作过程
图2所示是该三维机械手的动作示意图。当需将工件有右工作台搬至左工作台时，在按下启动的时候，右工作台传感器判断有无工作，若有机械手动作，若无，机械手停止。当机械手左旋并前伸到位准备下降时，为了确保安全，必须在左工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到左工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
 
图1 三维机械手实物图 图2三维机械手动作示意图
三维机械手的工作过程为：（1）从原点开始前伸；（原点位置为机械手右旋到限位，手臂缩回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后开始下降；（3）倒下限位后，机械手加紧工件，延时2s；（4）上升；（5）到上限位后，缩回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，机械手松开，延时2s；（10）上升；（11）到上限位后，缩回；（12）到后限位后，右旋，返回原点。
根据三维机械手的工作过程及要求，可以画出机械手的动作流程图，如图3所示。
 
图3 机械手动作流程图 图4机械手状态转移图
三、PLC硬件的选择和I/O点分配
PLC的种类非常多，根据三维机械手的控制要求，由于其输入、输出节点少，要求电气控制部分体积较小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用日本三菱（MITSUBISHI）公司生产的多功能小型FX1N-40MR-001主机。该机型合计有输入输出点40个，其中24个输入点和16个输出点，采用继电器方式有触点输出，能交流、直流负载两用。内部主要有：辅助继电器1280个，其中特殊功能辅助继电器256个，断电保持辅助继电器1152个；状态继电器1000个；定时继电器256个；计数继电器256个；数据寄存器8256个。
根据图3所示的三维机械手动作流程图，确定电气控制系统的I/O点分配，如表1所示。
根据图3流程图和表1的I/O分配表，可以编制出机械手的状态转移图，如图4所示。
四、控制程序的设计方法及编程运行
常用的PLC程序设计方法有经验法和顺序功能法。根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。
表1 三维机械手控制I/O分配表
输入
输出
名称
输入点
名称
输出点
停止
SB1
X0
手爪紧/松气缸阀
YV1
Y1
启动
SB2
X1
手臂气缸伸出阀
YV2
Y2
物品检测传感器
SQ0
X2
手臂气缸缩回阀
YV3
Y3
气动手爪传感器
SQ1
X3
提升气缸下降阀
YV4
Y4
旋转左限位接近传感器
SQ2
X4
提升气缸上升阀
YV5
Y5
旋转右限位接近传感器
SQ3
X5
旋转气缸左移阀
YV6
Y6
伸出臂前点限位传感器
SQ4
X6
旋转气缸右移阀
YV7
Y7
缩回臂后点限位传感器
SQ5
X7
提升气缸上限位传感器
SQ6
X10
提升气缸下限位传感器
SQ7
X11
图5 步进控制梯形图
图5中，M8044是用作原点条件，判断机械手是否在原点开始工作。
如果要实现断电保护，在图5的步进控制梯形图中，将普通辅助/计时/状态继电器均换成断电保护型。
上电后，直接初始状态继电器S0，在满足原点条件继电器M8044下，按下启动按钮SB2，X1得电，进入等待状态继电器S20；此时物品检测传感器SQ0检测到上料端有料，X2得电，进入机械手臂伸出状态S21；机械手伸出Y2得电，机械手前伸到前限位时，进入机械手下降状态；机械手下降Y4得电，机械手下降到下限位时，进入机械手抓料延时状态；机械手抓紧并延时，延时时间到，进入机械手上升状态…………如此，每当该步动作到位，限位条件满足时，状态转移进入下一工作步，进行动作。
需要停止时，按下停止按钮SB1,X0得电，停止标志继电器M0得电并自锁，当机械手右旋到有限位时，如果停止标志有信号，则机械手回到初始状态，如果停止标志没有信号，则机械手进行下一周期的搬运工作。
五、结束语
本文以三维机械手为例介绍了日本三菱MITSUBISHI公司生产的FX1N系列微型可编程控制器在步进控制中的设计应用。阐述了三维机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法等。本文介绍的程序在实际生产和各届各级电工电子技能大赛中获得成功的应用。
参考文献
[1] FX1N series Programmable Controllers Hardware Manual，Mitsubishi electric corporation，1999
[2] MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION 三菱微型可编程控制器MELSEC-F FX1N使用手册 2007.11.
[3] 亚龙YL-235A型光机电一体化实训考核装置实训指导书.亚龙科技集团.2008.
[4] 高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）[M]. 北京。电子工业出版社.2009.
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