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機械手作為一種控制對象，可以替代工人完成多種工作。現代化的生產車間，多配有機械手。它可以提高生產過程中的自動化程度，進而提高生產效率。教學型機械手是針對教學所需研制的典型機器人設備，有兩個方面的要求。首先在硬件方面要求能讓學生自己組裝該設備，能正確連接電路與氣路，所涉及的知識面要適合工科學生；其次在軟件方面要能分模塊，分塊學習更容易接受，學后能按照要求編寫控制程序。本文在提高教學效果為目的的前提下，以能夠實現一定工序的搬運機械手模型為研究對象，設計其控制系統。
1. 機械手工作過程
機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 機械手動作示意圖
圖2 機械手動作過程
機械手的全部動作由氣缸驅動，根據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試或出現故障需要維修時使用，實現對各執行動作單獨用按鈕進行操作，通常是設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，按預先編寫的程序實現自動控制，自動操作又分為連續自動操作和單周期自動操作。以單周期自
動操作為例，機械手的動作循環依次是：從原點前伸——下降——夾緊——上升——右轉——下降——放松——上升——左轉——縮回至原點10個動作。 其中上升、下降、前伸、縮回、左轉和右轉等8個動作，每個動作末都會觸發各自的限位開關，由限位開關去控制電磁閥通斷以順利執行下一個動作。而放松和夾緊兩個動作則是通過設置時間延時實現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
機械手的控制系統采用了西門子公司生產的整體式S7-200CPU226式PLC。動作②、④和動作⑥、⑧不會同時出現，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需占用PLC 一個輸入點。機械手左右轉動時的左右限位開關各占用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、右轉和原點指示燈狀態的指令，故此控制系統共使用了14個輸入量和8個輸出量。
3. 整體程序設計
機械手整體程序結構如圖3所示。若選擇手動操作工作方式，10.7斷開，接著執行手動操作程序。手動操作程序可以獨立于自動操作程序，可以另行設計。在單周期工作方式和連續操作方式下，可以執行自動操作程序。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。
系統調試時將各I/O端子和實際控制系統的按鈕、所需控制設備正確連接，完成硬件安裝。機械手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設定在STOP狀態，運行編程軟件，打開機械手的控制程序，即可在線調試，也可用編程器進行模擬，整個過程簡單直觀。
圖3 整體程序結構
PLC是面向用戶專為在工業環境下應用而設計的計算機，可以使用戶獲得高性能、高可靠性的同時享受高質量和低成本。本文通過對搬運機械手應用場合及工作過程的分析，總結出使用PLC 完成系統控制任務的流程。即首先明確機械手的動作要求及工作循環，然后針對其不同的操作方式進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計能實現具體功能的整體程序和各子程序。詳盡的設計過程可為從事工業控制的工程人員提供一定的參考。
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