機(jī)械手作為一種控制對象，可以替代工人完成多種工作。現(xiàn)代化的生產(chǎn)車間，多配有機(jī)械手。它可以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。教學(xué)型機(jī)械手是針對教學(xué)所需研制的典型機(jī)器人設(shè)備，有兩個方面的要求。首先在硬件方面要求能讓學(xué)生自己組裝該設(shè)備，能正確連接電路與氣路，所涉及的知識面要適合工科學(xué)生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學(xué)習(xí)更容易接受，學(xué)后能按照要求編寫控制程序。本文在提高教學(xué)效果為目的的前提下，以能夠?qū)崿F(xiàn)一定工序的搬運(yùn)機(jī)械手模型為研究對象，設(shè)計其控制系統(tǒng)。
1. 機(jī)械手工作過程
機(jī)械手的動作過程如圖1所示，用來將工件從一個工作臺搬到另一個工作臺。

圖1 機(jī)械手動作示意圖

圖2 機(jī)械手動作過程

機(jī)械手的全部動作由氣缸驅(qū)動，根據(jù)使用場合不同控制方式一般分為手動操作與自動操作兩種。手動操作主要為安裝調(diào)試或出現(xiàn)故障需要維修時使用，實現(xiàn)對各執(zhí)行動作單獨用按鈕進(jìn)行操作，通常是設(shè)計過程中必須考慮的控制方案。而自動操作是以PLC控制器為基體，按預(yù)先編寫的程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，自動操作又分為連續(xù)自動操作和單周期自動操作。以單周期自
動操作為例，機(jī)械手的動作循環(huán)依次是：從原點前伸——下降——夾緊——上升——右轉(zhuǎn)——下降——放松——上升——左轉(zhuǎn)——縮回至原點10個動作。 其中上升、下降、前伸、縮回、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等8個動作，每個動作末都會觸發(fā)各自的限位開關(guān)，由限位開關(guān)去控制電磁閥通斷以順利執(zhí)行下一個動作。而放松和夾緊兩個動作則是通過設(shè)置時間延時實現(xiàn)和下一個動作的順利銜接。其具體動作過程如圖2所示。
2. 輸入輸出端子點數(shù)
機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了西門子公司生產(chǎn)的整體式S7-200CPU226式PLC。動作②、④和動作⑥、⑧不會同時出現(xiàn)，故只占用可編程控制器的兩個輸入點而不是4個輸入點。在動作②執(zhí)行前需先判斷左工作臺上有無工件，故用于檢測有無工件的光電開關(guān)需占用PLC 一個輸入點。機(jī)械手左右轉(zhuǎn)動時的左右限位開關(guān)各占用PLC 一個輸入點。啟動與停止按鈕各占用PLC 一個輸入點。另外，因為存在3種工作方式，故還需在PLC 中配置3個用于工作方式選擇的輸入點。在手動控制方式中，因為存在4種不同的加載方式——前與后、左與右、上與下、夾與松，故需在PLC 中配置4個用于加載方式選擇的輸入點。而控制器需要輸出用于控制伸出、縮回、下降、上升、夾緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原點指示燈狀態(tài)的指令，故此控制系統(tǒng)共使用了14個輸入量和8個輸出量。
3. 整體程序設(shè)計
機(jī)械手整體程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。若選擇手動操作工作方式，10.7斷開，接著執(zhí)行手動操作程序。手動操作程序可以獨立于自動操作程序，可以另行設(shè)計。在單周期工作方式和連續(xù)操作方式下，可以執(zhí)行自動操作程序。在使用自動操作方式時，中間繼電器M1.0接通。手動操作方式和自動操作方式，都用同樣的輸出繼電器。
系統(tǒng)調(diào)試時將各I/O端子和實際控制系統(tǒng)的按鈕、所需控制設(shè)備正確連接，完成硬件安裝。機(jī)械手PLC可編程控制器編程軟件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整體程序和各個子程序在編程軟件中編輯，機(jī)械手正常工作時程序存在存儲卡中，若需要修改程序，先將PLC設(shè)定在STOP狀態(tài)，運(yùn)行編程軟件，打開機(jī)械手的控制程序，即可在線調(diào)試，也可用編程器進(jìn)行模擬，整個過程簡單直觀。

圖3 整體程序結(jié)構(gòu)
PLC是面向用戶專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的計算機(jī)，可以使用戶獲得高性能、高可靠性的同時享受高質(zhì)量和低成本。本文通過對搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用場合及工作過程的分析，總結(jié)出使用PLC 完成系統(tǒng)控制任務(wù)的流程。即首先明確機(jī)械手的動作要求及工作循環(huán)，然后針對其不同的操作方式進(jìn)行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，zui后針對其不同的工作方式在編程軟件中設(shè)計能實現(xiàn)具體功能的整體程序和各子程序。詳盡的設(shè)計過程可為從事工業(yè)控制的工程人員提供一定的參考。