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第 3期 总第 1 8 4期 2 0 1 4年 O 6月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI CAI ENGI NE ERI NG 8 乙 AUT0MAT1 0N No ．3 J u n ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 3 0 1 5 1 - 0 3 基于 F X2 N 可编程控制器 的机械手控制系统 崔成辰 上 海理工大学 光 电信息 与计 算机 工程学院 控制科学 与工程 系，上海2 0 0 0 9 3 摘 要设计 了一种 以三菱 F X 2 N 型号为控制器 的机械 手控制系统。介绍 了机械手的功能和控制要求 ，给 出控 制系统硬件模块 的配置和地 址、程序流程 图以及梯形 图程序设 计。现场运行 结果表 明该 控制 系统结构简 单、 紧凑 ，工作安全 可靠 。 关键 词 可编程控制器 ；机械 手；控制；硬 件 中图分 类号 TP 2 7 3 TP 2 4 1 ． 2 文献标识码 A 0 引言 随着工业技术的高速发展 ， 越来越多 的生产采用 了流水线操作 ， 而且生产的条件越来越苛刻 人们经常 受到高温 、 腐蚀及有毒物 品等因素 的危害 ， 所 以普通 的人 力 已经无 法 满足 实 际 工 作 的需 要 ， 为 了节 约 人 的 体 力 ， 机械 手就 这 样 诞 生 了 。机 械 手 除 了 可 以像 人 一 样往复地运动 ， 还能够按照生产工艺的要求 ， 遵循一定 的程序、 时间和位置来完成工件的传送和装卸 ， 实现工 业生产的机械化和 自动化 。 本设计拟开 发的上下料 机械手可在 空间抓放工 件 ， 动作灵活多样 ， 可代替人工在高温和危险的作业区 进行作业 ， 可抓取重 量较 大的工件 。它采 用 P L C控 制 ， 和传统继电器控制相 比较 ， 稳定性更 高， 接线更简 单．， 抗干扰能力更强， 维修更方便 ； 此外还可以简化控 制线路 ， 节省成本 ， 进一步提高劳动生产率。 1 机 械手 系统 1 ． 1 机械手单元控制要 求 本文所设计 的机 械手系统 能够实现机 械手 的伸 缩 、 升降、 旋转 、 夹紧 和放 松等动作 ， 由底盘、 立 杆、 手 臂 、 手组成 。整个机械手系统工作环境如图 1所示 。 机械手单元的控制要 求如下 首先机械手旋转移 动到送料传送带 上料工位处 ， 夹紧零件 ，然后旋转 到加工位， 放松零件进行加工 ， 随后把加工后的零件夹 紧送到卸料传送带 卸料工位处 ，放下工件 ，最后机 械手 回到上料位并恢复初始状态。初始状态时 ， 机械 手的立杆最高，手臂最短 ，手最松。机械手的旋转依 靠底盘， 底盘由一个旋转直流电机驱动 ，该电机 的正／ 反旋转控制底 盘的顺 时针／ 逆 时针旋转 ；机械手 的上 升下降依靠立杆完成 ， 立杆 由一个直流电机驱动控制 ， 该电机的上行／ 下行控制机械手的上升／ 下降 ； 机械手 的前进和缩回是 由手臂完成 ， 手臂 由另一个直流电机 驱动控制， 该 电机 的右行／ 左行控制机械手的前进／ 缩 回 ； 机 械手 的夹 紧和 放松 也 由一个 直 流 电机 控 制 ，该 电机的右行／ 左行控制机械手的抓紧／ 放松 。在机械手 的各相应位置都有行程开关用于定位 。 待 加工零件 图 1机 械 手 系 统 工 作 图 1 ． 2工 艺流 程 与动作 顺序 机械手的旋转底座共有 3个方 向， 即上料 、 加工 、 下料 ， 每个方 向相差 9 O 。 。根据旋转工作台的工艺要 求， 机械手的工作方式有启动阶段、 工作阶段 、 结束 阶 段 3种模式 ， 分别完成装零件 、 取零件后再装入和取零 件的工作过程 。 以典型的加工阶段为例 ， 当上料传送带上检测到 有零件后 ， 若旋转工作台发出加工完成信号 ， 机械手定 位在加工工位 机械手旋转到加工工位 ， 机械手伸 出， 手臂下降， 夹紧已加工的零件 ， 手臂上升， 机械手缩 回； 机械手旋转到下料工位 ， 机械手伸出， 手臂下 降， 放松 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 2 ；修 回日期 2 0 1 4 0 4 ～ 1 2 作 者简介 崔成辰 1 9 8 9 一 ，男 ，上海人，在读硕士研究 生 ，研 究方向 可编程控制器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年 第 3期 已加工的零件 ， 手臂 上升 ， 机械手缩 回； 机械手旋转 到 上料工位 ， 机械手伸 出， 手臂下降， 夹紧未加工的零件 ， 手臂上升 ， 机械手缩 回； 机械手旋转到加工工位 ， 机械 手伸出， 手臂下降， 放松未加工的零件 ， 手臂上升 ， 机械 手缩 回。 若在启动工作阶段， 对开始 的 1 ～4个零 件， 只有 装料要求 ， 机械手定位在上料工位 机械手旋转到上料 工位， 机械手伸出， 手臂下降， 夹紧未加工的零件 ， 手臂 上升 ， 机械手缩回； 机械手旋转到加工工位 ， 机械手伸 出， 手臂下降， 放松未加工的零件 ， 手臂上升， 机械手缩 回 。 若在结束工作阶段， 对最后 的 4个零件， 只有卸料 要求 ， 机械手定位在加工工位 机械手旋转 到加工工 位 ， 机械手伸出， 手臂下降， 夹紧已加工的零件 ， 手臂上 升， 机械手缩回； 机械手旋转到下料工位 ， 机械手伸出， 手臂下降， 放松已加工的零件 ， 手臂上升 ， 机械手缩回。 2控制 系统硬 件 系统 结构 控制系统硬件采用三菱 F X2 N系列 P L C， 其特点 是小型、 高速 、 高性能 。根据机械臂 的功能要求 ， 系统 需要 3个 点 动按钮 和 1 5个 行程 开 关 来 控 制 电 动 机 的 停止位置 ， 故输入点有 1 8个 ； 4个电动机都能分别向 2 个方向运动， 故输出点数有 8个 ， 总的输入／ 输出点数 为 1 8 ／ 8 。这里采 用 F X2 N 系 列 C P U 模 块 1个 和 I ／ O 模块 2个 F X2 N一 1 6 MR 一 0 0 1基本单元 1个 ， 带 8点输 入／ 8点继电器输 出； F X 2 N 一 8 E X 扩展单元 2个 ， 其 每 个带 8点继电器输入。硬件系统总的输入／ 输出点数 为 2 4 ／ 8 ， 输入点数多余的 6个备用。P L C输 出、 输入 地址 分 配见 表 1和表 2 。 表 1 P L C输出地址 输 出点 对象名称 Y0 旋转 电机顺 时针转 Y1 旋转 电机逆 时针转 Y1 0 电机 1 左行 Y1 1 电机 1右行 Y1 2 电机 2 左行 Y1 3 电机 2右行 Y1 4 电机 3上行 Yl 5 电机 3下行 按上述工艺及地址描述工作过程， 可以把零件安 装工作时的流程 简单描述为 按启 动 X5 ， 旋转 电机 逆时针 旋 转 Y1 到 上 料 工 位 X 2 4 ， 机 械 手 伸 出 Y1 3 到限位开关 X1 3 ， 手臂下降 Y1 5 到限位开关 X 1 5 ， 夹紧未加工的零件 Y1 1 到 限位开关 X1 1 ， 手臂上升 Y1 4 到限位开关 X1 4 ， 机械手缩回 Y1 2 到限位开关 X2 2 ， 旋转 电机顺 时针旋转 Y O 到加工 工位 X 2 5 ，机械手伸出 Y1 3 到限位开关 X1 3 ， 手 臂下降 Y1 5 到限位开关 X1 5 ， 放松未加工 的零 件 Y1 O 到限位开关 X I O ， 手臂上升 Y1 4 到限位开关 X1 4 ， 机 械 手 缩 回 Y1 2 到 限位 开 关 X 2 2 ， 完 成 一 次零 件 安装 。 表 2 P L C输入地址 输入点 对象名称 输入点 对象名称 X 5 启 动 X2 3 电机 2行程开关 X 6 停 止 Xl 3 电机 2行程开关 X7 统计待加工数 X1 4 电机 3行程开关 X1 0 电机 1 行程 开关 X1 5 电机 3行程开关 X2 O 电机 1 行程 开关 X1 6 电机 3行程开关 X1 1 电机 1 行 程开关 X 2 4 旋转 电机行程开关 Xl 2 电机 2 行程 开关 X2 5 旋转电机行程开关 X2 1 电机 2行程 开关 X2 6 旋转电机行程开关 X2 2 电机 2行程开关 X 2 7 旋转 电机行程开关 3 软件 系统 与程 序设 计 3 ． 1 程 序 流程 图 程 序 流程 图如 图 2 所 示 。 l计 入到 达 上 料 工位 的 待 加 工零 件 数 l ⋯。 圆圆圆 撇器 图 2 程 序 流 程 图 3 ． 2 程 序设 计 条件判断梯形 图见图 3 。 3 9 4 0 5 2 6 4 ST L S O S E T S 21 S E T S 41 S E T S 51 图 3条件 判 断 梯 形 图 如果待加工零件数 D 。 0 ， 而且 已经送到加工位 的零件数 D ≤3 ， 那么将执行启动工作 阶段的机械手 回初始状态程序 ， 即后续程序是使机械手抬得最高 ， 手 臂最短 ， 手最松 ， 并且停在上料工位 X2 4 。 如果待加工零件数 D 。 0 ， 而且 已经送 到加工位 的零件数 D 3 ， 那么将执行正常工作阶段的机械手 回初始状态程序 ， 即后续程序是使机械手抬得最高 ， 手 臂最短， 手最松 。由于正常工作 阶段要循环两次抓放 物料 ， 因此设正常工作状态下记 录抓放次数的计数器 C 4计数值为 1 ， 即第 1次 C 4为 0 ， 第 2次置 1 ， 那么第 1次机械 手停 在加 工位 X 2 5 ， 第 2次停在 上 料工 位 X2 4。 如果待加工零件数 D。 一0 ， 而且 已经送到加工位 的零件数 D 3 ， 那么将执行结束工作 阶段的机械手 回初始状态 程序， 即后续程 序是使 机械手抬 得最高 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 3期 机 械 工 程 与 自 动 化 手臂最短 ，手最松 ， 并且停在加工位 X2 5 。 4 结束 语 本文阐述 了以三菱 F X 2 N可编程 控制器 为控制 核心的工业机械臂控制系统 ， 该系统结构紧凑 ， 简单又 实用 ， 在某企业的生产线 上 2 4 h连续运行 ， 运行平稳 可靠 。与原有的人工工作方式相 比， 极大地提 高了生 产效 率 。 参考文献 E 1 ] 钟肇新． 可 编程序 控制 器原 理及 应用 E M] ． 广 州 华南 理 工 大学出版社 ， 2 0 0 2 ． E 2 3 郝 晓弘 ， 张 萍． F X 2 N 系列 P L C在 电梯变频调 速控制 系统 中的应用[ J ] ． P L CF A， 2 0 0 5 1 2 5 O 一 5 3 ． [ 3 3 魏志强 ， 孙 旭光 ， 王益群 ， 等． 可编程控 制器在 气动机械 手 控 制中的应用[ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 9 6 1 8 2 0 ． [ 4 3 蒋少茵． P L C控制 的机械手E J -I ． 测控 自动化， 2 0 0 4 6 17 18 ． [ 5 3 史国生， 崔洪斌． P L C在机械手步进控制中的应用[ J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 1 8 2 5 2 7 ． [ 6 ] 杨存智． P L C在自动化生产机械手中的应用[ J ] ． 机床电 器 ， 2 0 0 6， 3 3 1 3 8 4 0 ． [ 7 ] 彭坚． 气动机械手 P L C控制 系统 设计 [ J ] ． 电工技术 ， 2 0 0 4 6 2 3 - 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