基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

Control system design of manipulator based on PLC

GUAN Ming1, ZHOU Xi-lun2, MA Li-jing1, SONG Wei1

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

機械手是能夠按照給定程序、軌跡與要求模仿人手的部分動作，實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動化裝置，氣動機械手則是用氣動系統(tǒng)驅(qū)動的機械手。應(yīng)用機械手的意義在于可以提高生產(chǎn)作業(yè)的自動化水平及產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動強度，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、低溫、粉塵、易燃易爆、有毒氣體及放射性等惡劣環(huán)境中代替人進行正常工作，意義更為重大。因此，機械手在熱壓、鍛造、機械加工、飲料裝箱自動線等各種自動化作業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

機械手采用氣動傳動，由精度較高的氣動元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機械手結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)2個自由度，由機身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動作，可以方便的通過滑閥的中位機能調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的位置，完成對物件的移動。機械臂用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸。其控制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍、性能優(yōu)越的PLC，根據(jù)需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。

運動路線：升降臂下降——抓取工件——升降臂上升——伸縮臂右移——升降臂下降——卸載工件——升降臂上升——伸縮臂左移，完成一次物料的搬運。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的基本組成

一個完整的計算機控制系統(tǒng)應(yīng)該包括被控對象、執(zhí)行機構(gòu)、檢測裝置、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器、數(shù)字計算機系統(tǒng)（包括硬件和軟件）。

2.2 電氣控制電路的設(shè)計

系統(tǒng)開始啟動時，通過控制面板設(shè)定要控制的氣缸的初始位置，S7-200通過控制面板的輸入來獲取相應(yīng)初始值，S7-200對控制面板上的輸入量進行響應(yīng)，然后進行輸出并執(zhí)行相應(yīng)控制。在本設(shè)計中的，被控對象是氣壓控制閥，通過控制閥的動作再對執(zhí)行元件（氣缸）的位置進行控制。為了達到控制的準確，因此在設(shè)計中采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，光電編碼器（位置傳感器）獲取位置量，并將獲取的模擬值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，再通過總線送到S7-200的輸入口，進行反饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度。

3 模擬實驗面板圖

圖1中的YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL分別接主機的輸出點Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2分別接主機的輸入點I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分別接主機的輸入點I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。圖1中的啟動、停止用動斷按鈕來實現(xiàn)，限位開關(guān)用鈕子開關(guān)來模擬，電磁閥的原位指示燈用發(fā)光二極管來模擬。

表1 機械手PLC的I/O地址分配表

圖1 模擬實驗面板圖

圖2 PLC外部接線圖

4 工作過程分析

當(dāng)機械手位于初始位置時，上、左限位開關(guān)均處于“1”狀態(tài)（接通），移位寄存器數(shù)據(jù)接通，讓寄存器M10.0處于“1”狀態(tài)，這時Q0.5接通，原位指示燈亮。

按下啟動按鈕SB1時，I0.0處于“1”狀態(tài)，這時移位信號產(chǎn)生，M10.0的“1”狀態(tài)加載到M10.1，繼電器Q0.0（下降閥）接通，下降動作執(zhí)行，這時因為上限位開關(guān)I0.2斷開，M10.0處于“0”狀態(tài)（斷開），原位指示燈滅。

當(dāng)機械手到達下限位時，下限位開關(guān)I0.1處于“1”狀態(tài)（接通），這時移位信號產(chǎn)生，M10.0的“0”狀態(tài)加載到M10.1，繼電器Q0.0斷開，這時機械手停止下降，M10.1的“1”狀態(tài)加載到M10.2，M20.0置“1”，M20.0閉合，繼電器Q0.1（夾緊閥）接通，夾緊動作得到執(zhí)行，這時定時器啟動，延時2秒使工作得到夾緊。

當(dāng)確認機械手在夾緊工件后，定時器的動合觸點接通，這時移位信號產(chǎn)生，使M10.3處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.2，繼電器Q0.2（上升閥）接通，這時I0.1是斷開狀態(tài)，上升動作得到執(zhí)行。由于是使用S指令，線圈M20.0仍然是原狀態(tài)，這時Q0.1依然是接通狀態(tài)，同時機械手繼續(xù)夾緊工件。

當(dāng)機械手到達上限位時，上限位開關(guān)I0.2處于“1”狀態(tài)（接通），這時移位信號產(chǎn)生，“0”狀態(tài)加載到M10.3，Q0.2線圈斷開，這時機械手停止運動，這時移位信號產(chǎn)生，使M10.4處于“1”狀態(tài)，I0.4斷開，繼電器Q0.3（右移閥）接通，這時右移動作執(zhí)行。

當(dāng)機械手達到右限位時，右限位開關(guān)I0.3處于“1”狀態(tài)（接通），這時移位信號產(chǎn)生，使M10.5處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.4，繼電器Q0.0再次接通，下降動作得到執(zhí)行。

當(dāng)機械手再次到達下限位時，I0.1接通，這時移位信號產(chǎn)生，使M10.6處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.5，同時Q0.0線圈斷開，下降動作停止，Reset指令使得M20.0復(fù)位，同時Q0.1線圈斷開，機械手松開工件；這時定時器啟動，延時1.7秒，定時器的動合觸點接通，這時移位信號產(chǎn)生，使M10.7處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.6，Q0.2再次接通，I0.1斷開，機械手又執(zhí)行上升動作，當(dāng)運行到上限位時，I0.2觸點接通，使M11.0處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.7，線圈Q0.2斷開，這時機械手停止上升，線圈Q0.4接通，I0.3斷開，機械手執(zhí)行左移運動。

當(dāng)機械手到達左限位時，I0.4觸點再次接通，使M11.1處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M11.0，同時移位寄存器復(fù)位，線圈Q0.4斷開，這時機械手回到初始位置，并且因為I0.2、I0.4均是接通狀態(tài)，M10.0處于“1”狀態(tài)，至此系統(tǒng)完成一個工作循環(huán)。

5 結(jié)束語

在自動化技術(shù)的發(fā)展過程中，“可編程程序控制器—傳感器—執(zhí)行元件”組成的典型控制系統(tǒng)占有重要的地位。當(dāng)安裝有組態(tài)王等軟件的計算機作為整個系統(tǒng)的上位機進行實時監(jiān)控時，工作人員可以實時的觀測到機械手的工作狀況，而不需要在現(xiàn)場進行觀察，畫面更直觀生動。隨著國家綜合國力的不斷增強，未來幾年內(nèi)，機電一體化的建設(shè)一定會迎來一次大發(fā)展。

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