隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制已經成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手不僅對環境適應性強、能持久、耐勞、動作準確、靈活性好、能很好地適應產品的不斷變化，而且提高了工作效率，節省了大量的勞動力，因此機械手已經受到很多部門的重視，在工業生產中得到了愈來愈廣泛的應用。本節將對機械手的PLC控制過程進行詳細說明。

    一、工藝流程與操作方式

    圖8-1所示為搬運機械手的工作示意圖，該機械手是一個水平/垂直位移的機械設備，運動過程并不復雜，一共有6個動作，分為3組，即上升/下降、左移/右移、夾緊/放松。其操作是將工件從左工作臺搬到右工作臺，由重新接近開關來檢測工作臺上有沒有工件。

    圖8-1    搬運機械手工作時的動作

    機械手通常位于原點，所有的動作均由氣缸驅動，而氣缸則由相應的電磁閥控制。其中，上升與下降、左移與右移動作均由雙線圈二位電磁閥控制，即當下降電磁閥通電時，機械手下降；下降電磁閥斷電時，機械手停止下降。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升。機械手的夾緊和放松由一個單線圈二位電磁閥（稱為夾緊電磁閥）來控制，線圈通電時夾緊，斷電時放松。

    (1)機械手工藝流程。機械手的動作順序和檢測元件、執行元件的布置示意圖如圖8-2所示。機械手的初始位置停在原點，按下啟動按鈕后，下降電磁閥通電，機械手下降，下降過程中，碰到下限位開關時，下降電磁閥斷電，下降動作停止。同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊工件，夾緊后，上升電磁閥通電，機械手上升。上升過程中，碰到上限位開關時，上升電磁閥斷電，上升過程停止。同時接通右移電磁閥，機械手右移。右移過程中，碰到右限位開關時，右移電磁閥斷電，右移過程結束。如果此時工作臺上沒有工件，則光電開關接通，下降電磁閥通電，機械手下降。下降過程中，碰到下限位開關時，下降電磁閥斷電，下降過程結束。同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松，在合適的位置放下工件。放完工件后，上升電磁閥通電，機械手上升，上升過程中，碰到上限位開關時，上升電磁閥斷電，上升過程結束。同時接通左移電磁閥，機械手向左移動，直到碰到左限位開關后，左移電磁閥斷電，左移過程結束，此時機械手回到原點。至此，機械手完成了一個周期的動作。

    圖8-2    搬運機械手的動作順序和檢測元件、執行元件的布囂示意圖

    為保證安全，當機械手右移到位準備下降時，必須確保右工作臺上沒有工件時才能下降，若上一次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應自動暫時等待。可以使用一個光電開關來檢測右工作臺上有無工件。

    (2)操作方式。搬運機械手的操作方式可化分為手動操作和自動操作兩類，自動操作又可進一步劃分為單步、單周期以及連續操作。

    1)手動操作。利用按鈕對機械手的每一個動作單獨進行控制，例如，選擇夾緊/放松運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放松。上下運動時，按下“下降”按鈕，機械手下降，按“上升”按鈕，機械手上升。

    2)單步操作。每按一下啟動按鈕，機械手完成一步的動作后自動停止。

    3)單周期操作。按下啟動按鈕，從原點開始，機械手自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。

    4)連續操作。機械手從原點開始，每按一次啟動按鈕，機械手將按工序自動反復連續循環工作，直到按下停止按鈕，機械手自動停機。

    二、硬件設計

    (1)操作面板設計。根據以上控制要求以及操作方式，可設計如圖8-3所示的操作臺面板布置示意圖。

    圖8-3    操作臺面板布置示意圖

    (2)輸入、輸出信號分析。輸入信號是將機械手的工作狀態和操作信息提供給PLC，PLC的輸入信號共有18個輸入信號點，需占用18個輸入端子。具體分配如下：“操作方式”選擇開關有手動、單步、單周期和連續4種工作方式，需要4個輸入端子；手動操作時，需要下降、上升、右移、左移、夾緊、放松、回原點7個按鈕，需要7個輸入端子；自動工作時，需要啟動按鈕、停止按鈕，需要用2個輸入端子；位置檢測信號有上限、下限、左限、右限4個行程開關，需要4個輸入端子；“無工件”檢測信號采用光電開關作檢測元件，需要1個輸入端子。總計需要18個輸入端子。

    輸出信號用來控制機械手的上升、下降、左移、右移和夾緊5個電磁閥線圈，需要5個輸出點；此外，機械手從原點開始工作，需要1個原點指示燈，要占用1個輸出端子。所以，共需要6個輸出端子。

    (3) PLC的輸入/輸出分配表。根據對機械手的輸入/輸出信號的分析，可編寫如表8-1所示的PLC輸入/輸出分配表。

    表8-1    PLC輸入/輸出分配表

序號	地址	名稱	功能說明
18路數字輸入信號
1	I0.0	按鈕	啟動機械手動作
2	I0.1	限位開關	指示機械手的運動下限
3	I0.2	限位開關	指示機械手的運動上限
4	I0.3	限位開關	指示機械手的右移運動極限
5	I0.4	限位開關	指示機械手的左移運動極限
6	I0.5	光電開關	檢測工作臺上有無工件
7	I0.6	按鈕	停止機械手工作
8	I0.7	選擇開關	手動操作方式選擇開關
9	I1.0	選擇開關	單步操作方式選擇開關
10	I1.1	選擇開關	單周期操作方式選擇開關
11	I1.2	選擇開關	連續操作方式選擇開關
12	I1.3	按鈕	選擇下降運動
13	I1.4	按鈕	選擇上升運動
14	I1.5	按鈕	選擇右移
15	I1.6	按鈕	選擇左移
16	I1.7	按鈕	選擇夾緊動作
17	I1.8	按鈕	選擇放松動作
18	I1.9	按鈕	復位按鈕，使機械手復位
6路數字輸出信號
1	Q0.0	電磁閥	控制機械手的下降移動
2	Q0.0	電磁閥	控制機械手的夾緊動作
3	Q0.2	電磁閥	控制機械手的上升移動
4	Q0.3	電磁閥	控制機械手向右移動
5	Q0.4	電磁閥	控制機械手向左移動
6	Q0.5	指示燈	指示機械手是否回到原點

    (4) PLC選型。根據表8-1所示的輸入/輸出分配表，參看第2章中的表2-1，本實例中PLC選用西門子公司生產的S7-200系列PLC中的CPU226，S7-200 CPU226共有24個輸入端子，16個輸出端子，采用繼電器輸出型，完全可以滿足本實例的控制需求。

    (5) PLC硬件接線圖。根據前述的輸入/輸出信號分析，可設計如圖8-4所示的PLC的輸入/輸出接線圖。

    圖8-4    PLC控制的機械手的外部接線圖

    三、PLC控制系統程序設計

    為了便于編程，在設計軟件時常將公用程序、手動程序和自動程序分別編出相對獨立的程序段，再用條件跳轉指令進行選擇。搬運機械手的控制系統程序結構框圖如圖8-5所示。系統運行時首先執行公用程序，然后當選擇手動工作方式時，I0.7接通并跳轉至手動程序執行；當選擇自動工作方式，然后當選擇手動工作方式時，I0.7接通并跳轉至手動程序執行；當選擇自動工作方式（單步、單周期、連續）時，I1.0、I1.1或I1.2接通則跳轉至自動程序執行。

    圖8-5    控制系統程序結構框圖

    (1)公用程序。公用程序用于處理各種工作方式都要執行的任務，以及不同的工作方式之間相互切換的處理，公用程序如圖8-6所示。

    圖8-6    公用程序

    左限位開關I0.4、上限位開關I0.2的動合觸點和表示機械手夾緊的Q0.1的動斷觸點的串聯電路接通時，“原點條件”S0.0變為ON。當機械手處于原點狀態(S0.0為ON)，在開始執行用戶程序(SM0.1為ON)、系統處于手動狀態或自動回原點狀態(I0.7或I2.1為ON)時，初始步對應的M0.0將被置位，為進入單步、單周期和連續工作方式做好準備。如果此時S0.0為OFF狀態，M0.0將被復位，初始步為不活動步，按下啟動按鈕也不能進入步M2.0，系統不能在單步、單周期和連續工作方式下工作。

    (2)手動程序。手動操作不需要按工序順序動作，所以可按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖如圖8-7所示。手動按鈕I0.7、I1.3～I2.1分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、放松和回原點各個動作。為了保證系統的安全運行設置了一些必要的連鎖。其中在左移動、右移動的梯形圖中加入了I0.2作為上限連鎖，因為機械手只有處于上限位置時，才允許左右移動。

    (3)自動操作流程圖。由于自動操作的動作較復雜，可先畫出自動操作流程圖，如圖8-8所示，用于表明動作的順序和轉換條件，然后再根據所采用的控制方法設計程序。矩形框表示“工步”，相鄰兩工步用有向線段連接，表明轉換的方向。小橫線表示轉換的條件，如轉換條件得到滿足，則程序從上一工步轉到下一工步，步進控制原理如圖8-9所示。

    (4)自動程序設計。根據自動操作流程就可以畫出自動控制程序的梯形圖，如圖8-10所示。

    圖8-7    手動操作的梯形圖

    圖8-8    自動操作流程圖

    圖8-9    步進控制原理圖

    圖8-10    自動控制方式梯形圖

    (a)梯形圖；(b)語句表