介紹了應(yīng)用可編程控制呂PLC對(duì)圖書館作業(yè)型機(jī)器人進(jìn)行控制的總體設(shè)計(jì)思想，并給出了硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，利用PLC控制機(jī)器人自動(dòng)完成圖書上架工作。 研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重而簡單的重復(fù)勞動(dòng)，替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等場合，已經(jīng)開始大量使用機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人大都用于簡單、重復(fù)、繁重的工作，如上、下料，搬運(yùn)等，能夠按照預(yù)定的順序、條件、位置逐步重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)，從而節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了工作效率。 可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。由于PLC具有功能強(qiáng)大、可靠性高、體積小巧、可擴(kuò)展各種智能模塊等特點(diǎn)，使其在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普及。本文采用FX系列PLC控制圖書館作業(yè)型機(jī)器人，使其按編制的程序自動(dòng)完成圖書上架工作。 1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu) 1.1 系統(tǒng)原理 圖書館作業(yè)型機(jī)器人工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。機(jī)器人機(jī)身長度l[SUB]1[/SUB] 與書架寬度l[SUB]2[/SUB] 相等。機(jī)身部裝有圖書存儲(chǔ)欄和與之相平行的鋼軌，機(jī)械手安裝在鋼軌上并可沿X方向在鋼軌上移動(dòng)。機(jī)械手頂端安裝一掃描裝置，用于讀取圖書信息，以配合機(jī)械手執(zhí)行圖書分類上架任務(wù)。機(jī)器人機(jī)身部裝有接近傳感器，主要用于感應(yīng)機(jī)器人和外部物體的接近程度，使機(jī)器人可通過緊急制動(dòng)來避免與書架、墻壁以及意外障礙物的碰撞。 當(dāng)PLC接收到開始信號(hào)時(shí)，機(jī)器人行駛至位置A后停止，機(jī)械手繞Z軸沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°至垂直正對(duì)圖書存儲(chǔ)欄，開始從圖書存儲(chǔ)欄中尋找A1類圖書。這時(shí)，機(jī)械手在鋼軌上沿X軸正方向朝鋼軌末端移動(dòng)，頂端掃描裝置同時(shí)掃描圖書存儲(chǔ)欄中待上架圖書的條形碼，直至掃描到A1類圖書停止，機(jī)械手伸出手臂將之取出，手爪夾緊書后手臂縮回，接著機(jī)械手繞Z軸沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°至垂直正對(duì)書架A1欄，然后沿X軸反方向朝鋼軌前端移動(dòng)，頂端掃描裝置同時(shí)掃描書架A1欄中放置的圖書的條形碼，直至運(yùn)動(dòng)至五條形碼信息處（即書架A1欄中未放置圖書的空隙處）停止。機(jī)械手伸出手臂將圖書放人A1欄中，然后將手臂縮回，完成一本圖書的上架任務(wù)。由于圖書存儲(chǔ)欄中可能還存在A1類圖書，這就需要繼續(xù)尋找A1類圖書。這時(shí)，機(jī)械手又運(yùn)動(dòng)至鋼軌前端限位處（即初始位置），并繞Z軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°至垂直正對(duì)圖書存儲(chǔ)欄，又開始重復(fù)循環(huán)進(jìn)行上述動(dòng)作（掃描目標(biāo)圖書刁取書呻上架），直至機(jī)械手移動(dòng)至鋼軌末端，掃描完圖書存儲(chǔ)欄中最后一本圖書，才說明已尋找完圖書存儲(chǔ)欄中所有A1類圖書。若最后一本書是A1類圖書，機(jī)械手則繼續(xù)按上述步驟完成上架任務(wù)，然后移動(dòng)至鋼軌前端，準(zhǔn)備開始A2類圖書的上架工作；若不是A1類圖書，機(jī)械手則立即移動(dòng)至鋼軌前端，準(zhǔn)備開始A2類圖書的上架工作。機(jī)器人將A2、A3類圖書上架的工作原理與上述原理基本相似，只是機(jī)械手將圖書上架時(shí)需伸高一定高度至A2、A3欄。就這樣，機(jī)器人在PLC控制下順序完成了書架A中圖書的上架工作。接著，機(jī)器人又行駛至位置B后停止，的上架工作。 1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.2.1 機(jī)械手 本作業(yè)型機(jī)器人中機(jī)械手具有四個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮；豎直方向的升、降；繞豎直軸Z軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；沿X方向在鋼軌上的移動(dòng)。另外，其末端安裝了執(zhí)行裝置——手爪，可完成抓、放動(dòng)作。 以上動(dòng)作均采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。即用4個(gè)二位五通電磁閥門（每個(gè)閥門有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作）分別控制4個(gè)氣缸，使機(jī)器人完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)以及手爪抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手爪則用一連桿機(jī)構(gòu)使氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為手爪的抓放運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手在鋼軌上的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用4個(gè)輪子，如圖2所示，由伺服電機(jī)通過同步輪、同步帶傳至主動(dòng)輪子。 [align=center] 圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 機(jī)械手移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖[/align] 1.2.2 圖書存儲(chǔ)欄 機(jī)器人在開始作業(yè)前，工作人員將待上架的圖書放人圖書存儲(chǔ)欄中。圖書存儲(chǔ)欄固定于機(jī)器人機(jī)身部，隨著機(jī)器人移動(dòng)。為了便于機(jī)械手從欄中將所需圖書取出，須將每本圖書間隔開并豎立放置。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3所示的圖書存儲(chǔ)欄。分別用兩塊擋板隔成了一個(gè)個(gè)書槽，將待上架的圖書每本分別放置于書槽中，這樣使每本圖書不會(huì)倒下，而且彼此間隔了一定距離，使機(jī)械手在掃描到目標(biāo)圖書后，能方便、準(zhǔn)確地將之取出。 [align=center] 圖3 圖書存儲(chǔ)欄 圖4 引導(dǎo)裝置原理圖[/align] 1.2.3 機(jī)器人導(dǎo)引裝置 本設(shè)計(jì)中采用了電磁引導(dǎo)方式，原理如圖4所示，導(dǎo)引圖書館作業(yè)型機(jī)器人沿書架旁邊直線運(yùn)動(dòng)。該方法在地板上開出數(shù)厘米深的溝，埋人導(dǎo)線，通以頻率為3～10kHz的電流。安裝在機(jī)器人機(jī)身內(nèi)的敏感線圈，能感知機(jī)體與導(dǎo)線間的偏移，從而引導(dǎo)機(jī)器人沿導(dǎo)線正確行走。 2 PLC硬件接線和軟件編程 本設(shè)計(jì)中機(jī)器人控制需大量的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。因此，我們選用日本三菱公司生產(chǎn)的F1-60MR型可編程序控制器，具有36個(gè)輸入點(diǎn)，24個(gè)輸出點(diǎn)，足以滿足本設(shè)計(jì)的要求。 [align=center] 圖5 PLC的梯形圖 圖6 程序框圖[/align] 為了更詳細(xì)地介紹PLC控制圖書館作業(yè)型機(jī)器人工作原理，我們?cè)诖肆谐隽藱C(jī)器人將A1、A2類圖書自動(dòng)上架的程序段，并特別針對(duì)機(jī)器人將A1類圖書上架的程序段進(jìn)行了詳細(xì)的說明。圖5是PLC的梯形圖。 PLC控制機(jī)器人將A1、A2類圖書上架的程序框圖如圖6所示。在此，還寫出了相應(yīng)的梯形圖程序。 程序說明如下： （1）當(dāng)機(jī)器人的機(jī)械手位于鋼軌前端限位處，并垂直正對(duì)書架時(shí)，為機(jī)器人初始位置。此時(shí)，鋼軌前端限位開關(guān)SQ2，機(jī)械手繞Z軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°限位開關(guān)SQ5被壓，x402、x405觸點(diǎn)接通按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，X400觸點(diǎn)接通，Y430線圈接通，機(jī)器人前進(jìn)。 （2）當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)至位置A時(shí)，壓下限位開關(guān)SQ1，x401觸點(diǎn)斷開Y430線圈，機(jī)器人停止前進(jìn)，正好停在書架A的前面（機(jī)器人機(jī)身長度與書架寬度相等）。 （3）機(jī)械手繞Z軸J頃時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)至觸到限位開關(guān)SQ4，此時(shí)x404觸點(diǎn)斷開Y433線圈，機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，機(jī)械手已旋轉(zhuǎn)180°至垂直正對(duì)圖書存儲(chǔ)欄。 （4）x404觸 點(diǎn)接通線圈Y431，機(jī)械手開始在鋼軌上沿X軸正方向朝后端移動(dòng)，尋找A1類圖書。 （5）掃描到A1類圖書信息，x412觸點(diǎn)斷開Y431線圈，機(jī)械手停止移動(dòng)，x412觸點(diǎn)接通移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端，使M100置“1”，Y435線圈接通，機(jī)械手手臂伸出。 （6）手臂伸至限位開關(guān)SQ6時(shí)，X406與M100觸點(diǎn)接通移位寄存器移位信號(hào)輸入端，產(chǎn)生移位信號(hào)，M100的“1”態(tài)移至M101，M101接通線圈M200，M200觸點(diǎn)接通Y531線圈，手爪夾緊書。同時(shí)定時(shí)器T450開始計(jì)時(shí)。M100置“0”，Y435斷開，手臂停止伸出。 （7）T450延時(shí)到，T450與M101觸點(diǎn)接通，產(chǎn)生移位信號(hào)，M102為“1”，M100～M101置“0”，M102觸點(diǎn)接通Y436線圈，機(jī)械手手臂縮回，因?yàn)槭褂肧指令，所以M200線圈保持接通，Y531也保持接通，使手爪繼續(xù)把書加緊。 （8）當(dāng)手臂縮至限位開關(guān)SQ7時(shí)，x407與M102觸點(diǎn)接通產(chǎn)生移位信號(hào)，M103為“l(fā)”，M100～M102置“0”。M102斷開Y436線圈，停止縮回，同時(shí)M103接通Y434線圈，機(jī)械手開始繞Z軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 （9）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至限位開關(guān)SQ5時(shí)，X405與M103觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M104為“1”，M100-M103置“0”。M103觸點(diǎn)斷開Y434線圈，停止旋轉(zhuǎn)。此時(shí)機(jī)械手已逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180＊，正好垂直正對(duì)書架。同時(shí)，M104接通線圈Y432，機(jī)械手開始在鋼軌上沿X軸反方向朝前端移動(dòng)。 （10）移動(dòng)時(shí)，機(jī)械手頂端的掃描裝置開始掃描圖書條形碼信息。當(dāng)沒有條形碼信息時(shí)，X500與M104觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M105為“1”，M100～M104置“0”。M104觸點(diǎn)斷開Y435線圈，機(jī)械手停止移動(dòng)。同時(shí)，M105觸點(diǎn)接通Y435線圈，機(jī)械手手臂伸出。 （11）手臂伸至限位開關(guān)SQ6時(shí)，X406與M105觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M106為“1”，M100～M105置“0”，M105觸點(diǎn)斷開Y435線圈，手臂停止伸出。同時(shí)M106觸點(diǎn)接通M200線圈，R指令使M200復(fù)位，M200觸點(diǎn)斷開Y531線圈，手爪松開，放置圖書于書欄A1中。同時(shí)，T451開始計(jì)時(shí)。 （12）T451延時(shí)到后，T451與M106觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M107為“1”，M100～M106置“0”，Y436線圈接通，機(jī)械手手臂縮回。 （13）手臂縮至限位開關(guān)SQ7時(shí)，X407與M107觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M110為“1”，M100-M107置“0”，M107斷開Y436線圈，手臂停止縮回。同時(shí)，M110接通Y432線圈，機(jī)械手開始在鋼軌上沿軸反方向移動(dòng)。 （14）機(jī)械手移動(dòng)至限位開關(guān)SQ2時(shí)，X402與M110觸點(diǎn)接通移位信號(hào)，M111為“1”，M100～M110置“0”，M110觸點(diǎn)斷開Y432線圈，機(jī)械手停止移動(dòng)。同時(shí)，M111觸點(diǎn)接通移位寄存器復(fù)位輸入端，寄存器全部復(fù)位。此時(shí)，機(jī)器人處于初始位置狀態(tài)，M111觸點(diǎn)接通Y433線圈，機(jī)械手又開始繞Z軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)尋找A1類圖書，反復(fù)執(zhí)行以上步驟。 以上（1）～（14）步驟的程序說明是針對(duì)A至B程序段展開的。若機(jī)械手在鋼軌上移動(dòng)至末端限位開關(guān)處，說明已掃描完圖書存儲(chǔ)欄中所有待上架的圖書，即已將A1類圖書尋找完畢。這時(shí)，程序直接跳轉(zhuǎn)至B點(diǎn)后，機(jī)器人開始執(zhí)行A2類圖書查找并自動(dòng)上架任務(wù)。 當(dāng)按下停止按鈕SB2時(shí)，X501觸點(diǎn)作用，使機(jī)器人立即停止動(dòng)作。 3 結(jié)束語 本系統(tǒng)采用FX系列PLC控制圖書館作業(yè)型機(jī)器人，使其按編制的程序自動(dòng)完成圖書上架工作，經(jīng)實(shí)際試運(yùn)行，表明各項(xiàng)功能均已滿足設(shè)計(jì)要求，且控制系統(tǒng)的可靠性高、故障少，結(jié)構(gòu)部分操作方便，安全可靠，從而節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了工作效率。