摘 要：主要分析了应用在流水线机械手的运动控制体系，该体系使用三菱的FX系统中的PLC为控制器，给出了具体的控制过程、I/O分配、详解控制面板的硬件接线图，阐述了PLC的控制程序，并采用触摸屏进行了人机界面的控制，方便了相关人员全面认识该系统的工作状态。
关键词：PLC；工业机械；手臂控制；流水线
机械手主要是为了对人的手臂部分动作进行模仿，根据操作工具、预定程序的吸附与搬运物件自动操作的装置，可以将工人从繁重、重复的劳动中彻底解放，完成生产自动化和机械化。同时，应用机械手可以在恶劣的环境条件中工作，确保人身安全，在各种制造行业中有广泛应用。而PLC具有调试方便、可靠性高、编程简单等优势，在工业领域有着广泛应用。
1 运动过程和控制要求
本次主要在装箱机、流水线与抛光机间设置机械手，这样可以在各种工作的区域间进行转换，具体从图1中可以看出。主要流程为：将工件运到流水线A后，相关机械手可以收到信号，并进行移动和吸附工作，将信号放至抛光机B上抛光，完成抛光后，机械手可以将吸附工件置于流水线C。
图1 机械手示意图
1.1 驱动的方式
横梁的方向移动通过电机M1进行驱动，包含3个不同的工位，在SQ6、SQ4与SQ5的位置，其总行程是1 200 mm；通过PLC对KM1、KM2接触器进行电机正反转控制。如果接触器KM1有电，则会使电机M1正转，牵动机械手沿着横轴向右移动。如果KM2有电，则会使电机M1反转，牵动机械手沿着横轴向左移动。
纵梁方向移动方向通过电机 M2驱动，两个工位主要在SQ10与SQ7位置，其总行程为1 000 mm。通过PLC对KM3、KM4接触器进行电机正反转控制。如果KM3有电，则会使电机M2正转，牵动机械手沿着纵轴向前移。如果KM4有电，则会使电机M2反转，牵动机械手沿着纵轴向后移。
竖梁方向的移动主要是通过气缸 G1驱动的，一共包含 2个不同的工位。在SQ12位置，其移动总行程为3 000 mm。在整个气动系统中，主要包含伸缩气缸、气源、气动系统的控制阀与气动的三联件等部件，通过空压机来获取气源。经过气动三联件，可获得干燥、清洁的空气，并经电磁阀进行运动转换。PLC在进行电磁阀YV6、YV5的控制时，可以对气缸进行控制，控制竖梁下降与上升（YV6得电下降，失电即上升）。
1.2 控制过程
主要控制过程为：当工件到A以后，SQ0动作，经过程序的控制让纵轴前移（电动机M2得电正转）→前移到位（SQ10动作）→下降（YV6带电YV5失电，节流阀与电磁的换向阀会将空气带到 G1上的缸体中，气缸驱动沿着数轴向下降）→下降到位（SQ12动作）→吸附（电磁阀YV7带电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到 G2下的缸体中，机械手对工件进行吸附）→延时5 s→上升（控制阀YV6失电，YV5得电，维持吸附的状态上升）→上升到位（SQ11动作）→纵轴后移（KM4得电，电动机M2得电反转）→后移到位（SQ7动作）→横轴前移（接触器KM1带电，电机M1产生正转，并且牵动横轴向左移）→到达B的位置（SQ5动作）→纵轴前移（KM3得电，电动机M2得电正转）→前移到位（SQ10动作）→下降（控制阀YV6带电，YV5失电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到G1上的缸体中，然后气缸驱动会沿着数轴向下降）→下降到位（SQ12动作）→放置工件（YV7断电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到 G2上的缸体中，松开机械手开始工作）→延时5 s→上升（控制阀YV6失电，YV5得电）→上升到位（SQ11动作）→延时20 s（抛光工件）→下降（控制阀YV6带电，YV5失电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到 G1上的缸体中，气缸驱动沿着数轴向下降）→下降到位（SQ12动作）→吸附工件（YV7带电，通过机械手将吸附工件抓住）→延时5 s→上升（控制阀YV6失电，YV5得电）→上升到位（SQ11动作）→纵轴后移（KM4得电，电动机M2得电反转）→后移到位（SQ7动作）→横轴前移（接触器KM1带电，使电机M1产生正转，牵动横轴向左移）→到达C的位置（SQ6动作）→纵轴前移（KM3得电，电动机M2得电正转）→前移到位（SQ10动作）→下降（控制阀YV6带电，YV5失电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到G1上的缸体中，气缸驱动沿着数轴向下降）→下降到位（SQ12动作）→放置工件（YV7断电，经过节流阀与电磁的换向阀会将空气带到 G2上的缸体中，松开机械手开始工作）→延时5 s→上升（控制阀YV6失电，YV5得电）→上升到位（SQ11动作）→纵轴后移（KM4得电，电动机M2得电反转）→后移到位（SQ7动作）→横轴后移（接触器KM2带电，电机M1反转，牵动横轴向右移）→到达A位置（SQ4动作）停止。
以上整个过程属于一个循环的过程。自动循环的过程中最为重要的是自动回原点，具体如图2所示。
2 软件设计
由于系统具备手动与自动两类工作方式，即可将程序分成自动控制的程序和手动控制的程序。
2.1 手动控制程序
在进行手动操作的过程中，通过各对应手动操作的按钮对机械手动作进行控制，主要包含放松、左移、下降与后退等动作。为了确保系统的安全运行，需要在手动的程序之中设置软件的联锁，防止误动作发生。但机械手需要处于较高的位置才可以前后、左右移动，要处于SQ11位置时才可以沿着纵轴、横轴移动，所以，需要将常开触点设置成联锁，以免在较低的位置机械手出现碰撞。
2.2 自动控制程序
自动操作的程序需要按照机械手动作的过程制订自动操作程序，通过顺序设计的方法设计，具体如图3所示。
图2 自动回原点程序
图3 手、自动切换程序及停止程序
3 硬件设计
3.1 PLC的选型与I/O口的分配
PLC的选型如表1所示。
表1 PLC的选型
I/O口的分配如表2所示。
表2 I/O口的分配
按照以上输出情况，选择了三菱公司的FX2N-48MR作为控制器。
3.2 电路设计与控制面板
通常情况下，机械手要手动操作，比如手动控制设备启动、停止等，同时，需要设置操作面板。在操作面板上，需要设置手动控制和手动开关等按钮。此外，在面板内需要设置转换电源的模块，从而将220 V电压转变成24 V直流电压，以作为PLC的输入端电压；需要对控制电路进行严格设计，分配好输出接点和PLC输入，将按钮与各开关接到PLC的输入端，并将接触器与电磁阀接到PLC输出端。具体如图4所示。
图4 PLC外部接线
4 监控系统的设计
本次设计通过三菱触摸屏 GT1100作为监控终端，触摸屏要在各个工作中构建通信连接。同时，对数据库与数据变量进行了构建，落实了动画连接于机械手的画面设计等工作，并进行了调试运行。触摸屏操作界面如图5和图6所示。
图5 触摸屏操作界面一
为了构建与PLC通信的连接，需要在PLC菜单串行口增设通信参数与通信地址。其中，组态中变量定义和PLC变量相同，具有一一对应的关系。如果PLC之中的变量值出现变化，则会使组态的变量值发生改变，经过对应设置以后，可以确保实际变化与画面相同，在数据变量实时值出现改变之时，会在画面上反映出场信号。
图6 触摸屏操作界面二
由于系统建立图形的画面没有动画便会静止，因此，需要对图形对象数据的变量进行定义，确立连接管理，使对象状态的变化得以表现。
5 结束语
综上所述，按照行程差异，需要使用气缸与电机两种方式驱动机械手，以便实现控制效果。由于三菱PLC的结构比较紧凑，其性能相对稳定，有良好的控制效果，易实现模块化。在机械手的控制发生改变时，需要对相应的程序进行改动，并对硬件进行简单修改，装设触摸屏进行人机界面控制，以便监控。
