基于PLC的機械手控制系統設計

Control system design of manipulator based on PLC

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

（1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221008；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，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驅動的機械手。應用機械手的意義在于可以提高生產作業的自動化水平及產品質量，減輕操作者的勞動強度，實現安全生產。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領域中獲得了廣泛應用。

1 系統組成及功能介紹

機械手采用氣動傳動，由精度較高的氣動元件組合而成，為直角坐標式機械手結構，實現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節合適的執行元件的位置，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。其控制系統采用目前控制領域應用比較普遍、性能優越的PLC，根據需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統的核心。

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 控制系統設計

2.1 控制系統的基本組成

一個完整的計算機控制系統應該包括被控對象、執行機構、檢測裝置、模數（A/D）轉換器和數模（D/A）轉換器、數字計算機系統（包括硬件和軟件）。

2.2 電氣控制電路的設計

系統開始啟動時，通過控制面板設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初始值，S7-200對控制面板上的輸入量進行響應，然后進行輸出并執行相應控制。在本設計中的，被控對象是氣壓控制閥，通過控制閥的動作再對執行元件（氣缸）的位置進行控制。為了達到控制的準確，因此在設計中采用了閉環控制系統，光電編碼器（位置傳感器）獲取位置量，并將獲取的模擬值經過A/D轉換后，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，限位開關用鈕子開關來模擬，電磁閥的原位指示燈用發光二極管來模擬。

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

當機械手位于初始位置時，上、左限位開關均處于“1”狀態（接通），移位寄存器數據接通，讓寄存器M10.0處于“1”狀態，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，這時移位信號產生，M10.0的“1”狀態加載到M10.1，繼電器Q0.0（下降閥）接通，下降動作執行，這時因為上限位開關I0.2斷開，M10.0處于“0”狀態（斷開），原位指示燈滅。

當機械手到達下限位時，下限位開關I0.1處于“1”狀態（接通），這時移位信號產生，M10.0的“0”狀態加載到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，夾緊動作得到執行，這時定時器啟動，延時2秒使工作得到夾緊。

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

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

當機械手達到右限位時，右限位開關I0.3處于“1”狀態（接通），這時移位信號產生，使M10.5處于“1”狀態，“0”狀態加載到M10.4，繼電器Q0.0再次接通，下降動作得到執行。

當機械手再次到達下限位時，I0.1接通，這時移位信號產生，使M10.6處于“1”狀態，“0”狀態加載到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，這時移位信號產生，使M10.7處于“1”狀態，“0”狀態加載到M10.6，Q0.2再次接通，I0.1斷開，機械手又執行上升動作，當運行到上限位時，I0.2觸點接通，使M11.0處于“1”狀態，“0”狀態加載到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，機械手執行左移運動。

當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，“0”狀態加載到M11.0，同時移位寄存器復位，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，M10.0處于“1”狀態，至此系統完成一個工作循環。

5 結束語

在自動化技術的發展過程中，“可編程程序控制器—傳感器—執行元件”組成的典型控制系統占有重要的地位。當安裝有組態王等軟件的計算機作為整個系統的上位機進行實時監控時，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，機電一體化的建設一定會迎來一次大發展。

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