随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制已经成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手不仅对环境适应性强、能持久、耐劳、动作准确、灵活性好、能很好地适应产品的不断变化，而且提高了工作效率，节省了大量的劳动力，因此机械手已经受到很多部门的重视，在工业生产中得到了愈来愈广泛的应用。本节将对机械手的PLC控制过程进行详细说明。

    一、工艺流程与操作方式

    图8-1所示为搬运机械手的工作示意图，该机械手是一个水平/垂直位移的机械设备，运动过程并不复杂，一共有6个动作，分为3组，即上升/下降、左移/右移、夹紧/放松。其操作是将工件从左工作台搬到右工作台，由重新接近开关来检测工作台上有没有工件。

    图8-1    搬运机械手工作时的动作

    机械手通常位于原点，所有的动作均由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升与下降、左移与右移动作均由双线圈二位电磁阀控制，即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手停止下降。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。机械手的夹紧和放松由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）来控制，线圈通电时夹紧，断电时放松。

    (1)机械手工艺流程。机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图8-2所示。机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，下降电磁阀通电，机械手下降，下降过程中，碰到下限位开关时，下降电磁阀断电，下降动作停止。同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧工件，夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升过程中，碰到上限位开关时，上升电磁阀断电，上升过程停止。同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移过程中，碰到右限位开关时，右移电磁阀断电，右移过程结束。如果此时工作台上没有工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降过程中，碰到下限位开关时，下降电磁阀断电，下降过程结束。同时夹紧电磁阀断电，机械手放松，在合适的位置放下工件。放完工件后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升过程中，碰到上限位开关时，上升电磁阀断电，上升过程结束。同时接通左移电磁阀，机械手向左移动，直到碰到左限位开关后，左移电磁阀断电，左移过程结束，此时机械手回到原点。至此，机械手完成了一个周期的动作。

    图8-2    搬运机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布嚣示意图

    为保证安全，当机械手右移到位准备下降时，必须确保右工作台上没有工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂时等待。可以使用一个光电开关来检测右工作台上有无工件。

    (2)操作方式。搬运机械手的操作方式可化分为手动操作和自动操作两类，自动操作又可进一步划分为单步、单周期以及连续操作。

    1)手动操作。利用按钮对机械手的每一个动作单独进行控制，例如，选择夹紧/放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。上下运动时，按下“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。

    2)单步操作。每按一下启动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。

    3)单周期操作。按下启动按钮，从原点开始，机械手自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。

    4)连续操作。机械手从原点开始，每按一次启动按钮，机械手将按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。

    二、硬件设计

    (1)操作面板设计。根据以上控制要求以及操作方式，可设计如图8-3所示的操作台面板布置示意图。

    图8-3    操作台面板布置示意图

    (2)输入、输出信号分析。输入信号是将机械手的工作状态和操作信息提供给PLC，PLC的输入信号共有18个输入信号点，需占用18个输入端子。具体分配如下：“操作方式”选择开关有手动、单步、单周期和连续4种工作方式，需要4个输入端子；手动操作时，需要下降、上升、右移、左移、夹紧、放松、回原点7个按钮，需要7个输入端子；自动工作时，需要启动按钮、停止按钮，需要用2个输入端子；位置检测信号有上限、下限、左限、右限4个行程开关，需要4个输入端子；“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要1个输入端子。总计需要18个输入端子。

    输出信号用来控制机械手的上升、下降、左移、右移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；此外，机械手从原点开始工作，需要1个原点指示灯，要占用1个输出端子。所以，共需要6个输出端子。

    (3) PLC的输入/输出分配表。根据对机械手的输入/输出信号的分析，可编写如表8-1所示的PLC输入/输出分配表。

    表8-1    PLC输入/输出分配表

序号	地址	名称	功能说明
18路数字输入信号
1	I0.0	按钮	启动机械手动作
2	I0.1	限位开关	指示机械手的运动下限
3	I0.2	限位开关	指示机械手的运动上限
4	I0.3	限位开关	指示机械手的右移运动极限
5	I0.4	限位开关	指示机械手的左移运动极限
6	I0.5	光电开关	检测工作台上有无工件
7	I0.6	按钮	停止机械手工作
8	I0.7	选择开关	手动操作方式选择开关
9	I1.0	选择开关	单步操作方式选择开关
10	I1.1	选择开关	单周期操作方式选择开关
11	I1.2	选择开关	连续操作方式选择开关
12	I1.3	按钮	选择下降运动
13	I1.4	按钮	选择上升运动
14	I1.5	按钮	选择右移
15	I1.6	按钮	选择左移
16	I1.7	按钮	选择夹紧动作
17	I1.8	按钮	选择放松动作
18	I1.9	按钮	复位按钮，使机械手复位
6路数字输出信号
1	Q0.0	电磁阀	控制机械手的下降移动
2	Q0.0	电磁阀	控制机械手的夹紧动作
3	Q0.2	电磁阀	控制机械手的上升移动
4	Q0.3	电磁阀	控制机械手向右移动
5	Q0.4	电磁阀	控制机械手向左移动
6	Q0.5	指示灯	指示机械手是否回到原点

    (4) PLC选型。根据表8-1所示的输入/输出分配表，参看第2章中的表2-1，本实例中PLC选用西门子公司生产的S7-200系列PLC中的CPU226，S7-200 CPU226共有24个输入端子，16个输出端子，采用继电器输出型，完全可以满足本实例的控制需求。

    (5) PLC硬件接线图。根据前述的输入/输出信号分析，可设计如图8-4所示的PLC的输入/输出接线图。

    图8-4    PLC控制的机械手的外部接线图

    三、PLC控制系统程序设计

    为了便于编程，在设计软件时常将公用程序、手动程序和自动程序分别编出相对独立的程序段，再用条件跳转指令进行选择。搬运机械手的控制系统程序结构框图如图8-5所示。系统运行时首先执行公用程序，然后当选择手动工作方式时，I0.7接通并跳转至手动程序执行；当选择自动工作方式，然后当选择手动工作方式时，I0.7接通并跳转至手动程序执行；当选择自动工作方式（单步、单周期、连续）时，I1.0、I1.1或I1.2接通则跳转至自动程序执行。

    图8-5    控制系统程序结构框图

    (1)公用程序。公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理，公用程序如图8-6所示。

    图8-6    公用程序

    左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的动合触点和表示机械手夹紧的Q0.1的动断触点的串联电路接通时，“原点条件”S0.0变为ON。当机械手处于原点状态(S0.0为ON)，在开始执行用户程序(SM0.1为ON)、系统处于手动状态或自动回原点状态(I0.7或I2.1为ON)时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时S0.0为OFF状态，M0.0将被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

    (2)手动程序。手动操作不需要按工序顺序动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图8-7所示。手动按钮I0.7、I1.3～I2.1分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松和回原点各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的连锁。其中在左移动、右移动的梯形图中加入了I0.2作为上限连锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动。

    (3)自动操作流程图。由于自动操作的动作较复杂，可先画出自动操作流程图，如图8-8所示，用于表明动作的顺序和转换条件，然后再根据所采用的控制方法设计程序。矩形框表示“工步”，相邻两工步用有向线段连接，表明转换的方向。小横线表示转换的条件，如转换条件得到满足，则程序从上一工步转到下一工步，步进控制原理如图8-9所示。

    (4)自动程序设计。根据自动操作流程就可以画出自动控制程序的梯形图，如图8-10所示。

    图8-7    手动操作的梯形图

    图8-8    自动操作流程图

    图8-9    步进控制原理图

    图8-10    自动控制方式梯形图

    (a)梯形图；(b)语句表