基于PLC的機械手控制系統設計

王光玉

（淄博市中心醫院，山東 淄博 255000）

機械手的控制是一個需要在滿足功能要求的基礎上進行一套完整的自動化控制系統設計。其內在的控制要求是需要提高機械手整體的運行質量及其效率。而PLC經過多年的發展，因其可靠性高，實現工業自動化的過程中編程較為方便，同時方便維護與修改等優越性逐漸在工業領域中得到了十分廣泛的應用。本文的主要設計工作是完成最常見的操縱機械手控制設計，其控制核心是PLC。

首先，我們分析機械手的總體控制要求，主要包括控制方法、實現動作的基本過程以及相關的控制要求。

其次，完成所選控制器對象的控制系統的硬件開發，選擇型號以及連接方式，主要包含PLC型號的選定，以及為滿足控制要求時的IO地址安排，最主要的是繪制出整體控制系統所要求電氣原理圖的圖紙。

最后，進行PLC控制軟件的編寫。

在具體的設計中，依據設計的相關技術特征，將現有程序劃分為2部分，即總體與各功能的子程序設計。

1 機械手PLC控制系統設計

1.1 機械手控制系統的分析

通常，機械手控制設計是使用繼電器控制或PLC控制，還有的選擇采用微機來進行相關動作的控制。一方面，由于在選擇繼電器進行控制的時候，整個系統的穩定性較差，故障率非常高，同時，該種控制策略也是非常的不靈活，帶的功耗也較多，漸漸地也不被工程師選用；另一方面，在采用微機進行控制機械手的策略上，雖然都能在智能控制表現出良好的成績，但是，其在抗干擾、系統設計簡易程度方面則表現出很大的不足，同時，一般維護人員也很難掌握維護技能。但是，對于PLC，其本身具有非常高的可靠性，同時操作也是十分方便，因此，PLC在工業領域也獲得了非常廣泛的使用，因此，本文對機械手的設計選擇采用PLC來進行控制。

1.2 機械手控制的基本工藝和控制要求

圖1是一臺用于工件傳送的機械手裝置，在工作的時候動作的示意圖。它的主要功用是能夠把工件從A位置運送到B位置，該機械手在進行有關升降以及左右動作的時候，是通過2個電磁閥的動作，從而來驅動汽缸的動作得以實現的。而在這里面，對于實現上升以及下降的動作功能的電磁閥內部的線圈編號為YV1、YV2，實現左、右行動作的分別為YV3、YV4。對于線圈YV5而言，當其斷電時實現的是夾緊動作，得電為松開工件的動作，實際目的在于防止停電發生的時候，所夾工件出現掉落。對于機械手的運動范圍限定方面，在上、下、左、右分別設置有SQ1～SQ4限位開關，對于夾緊的機械裝置來說，其自身不帶有限位開關，在具體工作過程中，采用延時來夾緊工件。

圖1 機械手動作過程

2 機械手PLC控制的硬件設計

2.1 PLC的選型

選擇PLC時，需要考慮許多因素。例如，最大輸入和輸出點數、掃描速度、存儲容量、指令數、功能模塊等。三菱FX系列可編程控制器是最獨特，最具代表性的微型PLC。當涉及受控對象時，PLC系統具有更高的性價比，比其他類型的控制系統更易于使用和維護。通過對系統的分析，機械手可以控制18個輸入點和6個輸出點。根據PLC選擇的I/O點和存儲容量，需要一些冗余和強大的通信功能。同時，考慮到設計經濟性原則，本設計使用FX3GA-60MR-CM，其輸入繼電器（X）36點，輸出繼電器（Y）24點，直流輸出36點，狀態繼電器（S）1000 FX3GA-60MR-CM，包括積分，計時器（T）256點等。

2.2 PLC控制系統設計

（1）PLC輸入輸出接口的安全保護。如果將輸出端口連接到電感設備，則應在電感元件上添加其他保護元件，以防止在電路關閉時高壓損壞輸入和輸出端口。對于直流電源，續流二極管必須并聯，對于交流電路，必須并聯電阻—電容電路。

（2）PLC抗干擾的措施。PLC系統必須良好接地，來減少對電源輸入和輸出的干擾。通常，接地方法與信號頻率有關。對于低于1MHz的頻率，可以將一個點接地。在10MHz以上，使用多點接地。如果是1～10MHz，PLC控制系統通常使用單點接地。將所有接地端子連接到最近的接地點，以獲得最佳的干擾保護。接地線的截面積不得小于2.5mm2，且接地電阻為≤100Ω。

（3）電氣元件選擇。①電源配置。PLC輸入電源AC220V，輸出為220V繼電器型輸出，配備AC220V外接電源，無直流電源。②行程開關的選擇。行程開關的分類：直接驅動型，滾動型，微動型。直動式行程開關的優點是結構簡單、成本低廉，但觸點燒蝕容易。滾動行程開關克服了直接驅動行程開關的缺點，但是，其結構復雜并且價格相對昂貴。因此，選擇微型旅行行程開關，體積小，動作靈敏度高，適合在小型機構中使用。型號是LX32-4S。③接觸器的選擇。根據以上內容我們選擇交流電磁接觸器。CJ12系列接觸器適用于交流50Hz，額定工作電壓380V和額定電流600A的電路。連接諸如斷路或長距離運動頻繁的設備。型號為CJ12-600。④電磁閥的選擇。電磁閥的優點：耐高溫電磁閥是間接先導平衡式電磁閥，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和廣泛的應用范圍的特點。本設計中選擇的電磁閥是2個雙線圈電磁閥（型號VF3230）和1個單線圈電磁閥（型號VF3130）。綜上分析，電氣元件清單如表1所示。

表1 電氣元件清單

2.3 輸入/輸出端子地址分配

其中I/O具體分配如表2。

表2 輸入輸出分配表

3 程序設計

3.1 PLC的程序設計思想

對于上述機械手整體地控制要求分析獲知，不論是何種工作的形式，整體機械手需要完成的動作就是依靠特定流程來實現的。具體而言，為原點—下降—夾緊—上升—右移—下降—放松—上升—左移—原點。在每一步的動作過程中，整體的控制系統是依靠對應的步驟，機械手執行所觸發的限位開關來實現對機械手動作完成與否的判斷，在控制的流程方面完全是依靠機械手相應動作的先后排列順序來實現。因此，在實際的設計過程中，應當采用順序控制的形式來完成機械手的動作設定。通過以上的分析可以得出，對于機械手的動作控制程序，應該遵從順序控制的結構進行編寫。

3.2 機械手控制系統程序設計

（1）基本指令程序。完成機械手動作設定的程序，主要包含公用以及自動程序，同時還包含手動、回原位等四個方面。對于這里的自動程序來說，具體的控制實現包含單步以及單周期，同時包含連續運行等方面，由于上述步驟在實際的工作過程中執行的順序都是完全相同的，因此在實際的程序編寫過程中將統一編寫。CJ（FNC00）代碼是實現控制條件發生跳轉后所使用的應用代碼，對于指針的標號P在該代碼使用時所需要的具體操作數。上述代碼主要是用于當滿足某種語句的時候，忽略CJ指令以及相關指針的標號中間所包含的程序語句，執行的過程中能夠從指針標號的地方進行繼續執行動作，從而能夠有效地降低程序運行的時間消耗。當操作的過程中選擇了“手動”的動作形式，這時候輸入X0、X1分別就為ON以及OFF狀態，當PLC開始一直執行現有的公用程序，當完成的時候就會跳過代碼中設置的自動程序，直接到達P0的位置。當P1處的輸入X1閉合后，程序就會跳過程序中的原位程序直接到達P2的地方。此時要是選擇了“回原位”的動作執行形式，就只能夠執行公用以及回原位的控制代碼。當選擇了“單步”以及“連續”的動作執行形式，此時，也就只能夠執行公用以及自動的控制代碼。

（2）公用程序設計。圖2是“公用程序”的梯形圖。當輸出Y4處在復位狀態的時候，左、上限位X21、X17觸發，程序中的輔助觸點M0狀態就成ON的狀態，它表征著機械手目下的狀態正在原位的位置。要是開始執行現有的用戶程序代碼，此時，輔助觸點M8002的狀態位ON，機械手的控制就會存在手動的狀態或者是回到原位，此時，X0、X1的狀態值均為ON的狀態。因此，當初始的步驟所能夠對應的輔助觸點M10就會被置位，目的是能夠在進入單步等各個工作模式提前做好預備。當輔助觸點M0的狀態值為OFF的狀態時，M10就會發生被復位，整體的機械手動作也就不會執行單步等工作模式。在該段程序里的代碼ZRST（FNC40）表示的是進行批量復位的操作，當輸入X0的狀態位ON的狀態時，對將M11～M18的狀態進行復位，從而能夠防止機械手的控制從自動變到了手動工作模式。

圖2 公用程序

（3）手動程序設計。圖3顯示的是“手動程序”的梯形圖，設計中使用輸入X10～X15來對應各個程序步驟中的手動按鈕，主要包括上下左右等動作形式。當人工按下具有不同的控制功能的按鈕后，機械手就會相應的執行不同的動作形式。同時，在程序中還需要串聯相應的機械位置的位置開關，主要是規避機械手處在位置較低的時候會碰到其他東西。同時，也設置了聯鎖的功能形式來完成系統運行的保護。

圖3 手動程序

3.3 硬件實施

對于硬件實施來說，主要的工作要求將控制柜（臺）等相關配套的硬件進行設計安裝以及控制現場的施工。主要涵蓋：首先，需要對控制柜以及操作臺面各個電器之間的布置以及安裝接線關系進行設計畫圖。其次，設計機械手控制設計的系統各組成部分之間的電氣連接圖。最后依照相應的工程圖紙進行現場的施工接線，完成后要經過詳細的測試。

4 結語

在這次的設計中，本文主要涉及對機械手進行自動控制的PLC控制系統的設計。首先，分析搬運機器人控制系統，以獲得機器人控制的基本過程和基本控制要求。然后，根據基本過程和控制要求執行PLC控制系統的硬件設計。第一步，根據I/O接口數等對PLC的選型；第二步，根據控制要求等對電氣元件進行選擇，得到控制系統的電氣原理圖。最后，設計程序。第一步是表達本文的PLC程序設計思想。第二步是設計控制系統的主程序。接下來，將步進控制程序，單周期控制子程序，連續控制子程序和自動模式下的手動操作控制子程序分別設計為程序。