基于S7-200的搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃培（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院　徐州　221116）

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基于S7-200的搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃培
（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院徐州221116）

摘要設(shè)計(jì)了一種基于西門子S7-200系列的CPU 226可編程控制器（PLC）的機(jī)械手。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括伸縮運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工件的夾緊和放松八個(gè)動(dòng)作過程。為滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手的工作方式分為單操作、步進(jìn)操作、單周期操作和連續(xù)操作4種。在實(shí)際生產(chǎn)過程中利用上述操作完成了兩個(gè)工作臺(tái)之間的工件搬運(yùn)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、小型化的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞S7-200 CPU226搬運(yùn)機(jī)械手氣動(dòng)

一、引言

氣動(dòng)機(jī)械手是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械手類型之一，既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn)，它能夠滿足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，它能夠使人直觀地了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、動(dòng)作原理等，所以開發(fā)設(shè)計(jì)和研究氣動(dòng)機(jī)械手具有最廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景［1］。本文設(shè)計(jì)了一種基于西門子S7-200系列的CPU 226可編程控制器（PLC）的機(jī)械手。該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括伸縮運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工件的夾緊和放松八個(gè)動(dòng)作過程。為滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手的工作方式分為單操作、步進(jìn)操作、單周期操作和連續(xù)操作4種。該機(jī)械手具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、小型化的優(yōu)點(diǎn)。

二、機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)

1、機(jī)械手的控制過程

如圖1機(jī)械手動(dòng)作示意圖，該機(jī)械手可用來將工件從左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)，其動(dòng)作過程分為10工步，即從原位開始順序經(jīng)過10個(gè)動(dòng)作后完成一個(gè)周期，并返回原位。該機(jī)械手能夠抓取的工件質(zhì)量m為10 kg，搬運(yùn)物料過程中垂直方向加速度和水平方向加速度均為0.3g（g為重力加速度），平面轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)半徑r為0.5 m，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω 為3.5 rad /s，角加速度β為2.1 rad/，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180。

2、氣動(dòng)部分設(shè)計(jì)

機(jī)械手的氣動(dòng)原理，如圖2機(jī)械手氣動(dòng)原理圖。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、機(jī)械手的硬件電路設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的原理，如圖3控制系統(tǒng)原理圖。S7-200經(jīng)過輸入口獲取輸入量，S7-200經(jīng)過對(duì)輸入量進(jìn)行處理，輸出進(jìn)行控制。本此設(shè)計(jì)中的，直接被控對(duì)象是繼電器，通過繼電器的動(dòng)作再對(duì)電磁閥的進(jìn)行控制然后通過電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)行精確控制，因而本例中使用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經(jīng)過I/O接線端子送到S7-200的輸入口，進(jìn)行反饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度［2］。

2、可編程控制器操作面板設(shè)計(jì)

如圖4操作面板布置圖，其中它包括原位指示、手動(dòng)開關(guān)和工作方式選擇，而手動(dòng)選擇方式包括夾緊/放松、順旋/逆旋、伸/縮、上/下八個(gè)動(dòng)作；工作方式又分為手動(dòng)和自動(dòng)其中自動(dòng)工作方式有包括：步進(jìn)操作、單周期操作、連續(xù)操作方式。

接通I1.1是單操作方式，按照手動(dòng)開關(guān)選擇的位置，用啟動(dòng)/停止按鈕選擇手動(dòng)操作。如在方式下選擇上升/下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下止按鈕，機(jī)械手下降，其它動(dòng)作的控制類似。這種方式一般維修時(shí)使用。

接通I1.2是步進(jìn)操作方式，機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，每按下一次啟動(dòng)按鈕機(jī)械手執(zhí)行一次運(yùn)動(dòng)，按下停止按鈕時(shí)機(jī)械手恢復(fù)到原位。

接通I1.3是單周期操作方式，機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)操作一個(gè)周期，按下停止按鈕機(jī)械手會(huì)停止動(dòng)作，再次按下啟動(dòng)按鈕可以繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前沒有執(zhí)行完的動(dòng)作。

接通I1.4是連續(xù)操作方式，機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，連續(xù)執(zhí)行自動(dòng)周期操作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)機(jī)械手完成此周期動(dòng)作后自動(dòng)回到原點(diǎn)不再啟動(dòng)。

原位指示，當(dāng)機(jī)械手位于原位時(shí)此時(shí)原位指示燈亮起。

啟動(dòng)，用于控制機(jī)械手的啟動(dòng)。

停止，按下停止按鈕在不同的運(yùn)行模式下有不同的作用。

急停，按下急停按鈕機(jī)械手能夠使機(jī)械手在當(dāng)前位置停止動(dòng)作，松開急停按鈕機(jī)后械手會(huì)繼續(xù)執(zhí)行未執(zhí)行完的動(dòng)作。

四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)工作方式較多，所以采用模塊式程序結(jié)構(gòu)。機(jī)械手的4種操作方式可分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，自動(dòng)即為步進(jìn)、單周期和連續(xù)［3］。手動(dòng)程序和自動(dòng)程序可分別編寫成相對(duì)獨(dú)立的子程序模塊，通過調(diào)用指令進(jìn)行功能選擇。當(dāng)工作方式選擇單操作時(shí)I1.1接通，執(zhí)行手動(dòng)工作程序；當(dāng)工作方式選擇開關(guān)選擇自動(dòng)方式（步進(jìn)、單周期和連續(xù)）時(shí)，I1.2、I1.3、I1.4分別接通執(zhí)行自動(dòng)程序控制。

手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作，可以按普通繼電器接觸器控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)。為了保持系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須設(shè)置一些必要的聯(lián)鎖保護(hù)如機(jī)械手只有處于上限位置（I0.2 = 1）時(shí)，才允許伸縮臂和左右旋；機(jī)械手的夾緊也設(shè)置了機(jī)械聯(lián)鎖，只有機(jī)械手處于下限位置（I0.3 = 1）時(shí)，才能進(jìn)行夾緊和放松動(dòng)作。

機(jī)械手的自動(dòng)操作屬于順序控制，對(duì)于順序控制可用多種方法進(jìn)行編程，用移位寄存器很容易實(shí)現(xiàn)這種控制功能，轉(zhuǎn)換的條件由各行程開關(guān)及定時(shí)器的狀態(tài)來決定［4］。機(jī)械手夾緊和放松動(dòng)作的控制原則，可以采用壓力檢測(cè)、位置檢測(cè)或按照時(shí)間的原則進(jìn)行控制，本實(shí)例用定時(shí)器T37控制夾緊時(shí)間，T38控制放松時(shí)間。

自動(dòng)操作程序中包含了連續(xù)、單周期或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，程序的執(zhí)行取決于工作方式擇開關(guān)［5］。當(dāng)選擇連續(xù)方式時(shí)，I1.4使M30.0置“1”當(dāng)機(jī)械手回到原位時(shí)，移位寄存器復(fù)位即M1.0為“1”又獲得一個(gè)移位信號(hào)，機(jī)械手周而復(fù)始地執(zhí)行各步動(dòng)作；直到按過停止按鈕后，I0.1 0使M30.0置“0”機(jī)械手完成當(dāng)前一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期后停到原位。當(dāng)選擇單周期操作方式時(shí)，I1.3使M30.0置“0”當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)周期的動(dòng)作后停止在原位。當(dāng)選擇步進(jìn)操作方式時(shí)，I1.2使M30.0置“1”每按一次啟動(dòng)按鈕I0.0才能產(chǎn)生一個(gè)移位信號(hào)，機(jī)械手按動(dòng)作順序完成一步。

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括上升、下降、夾緊、放松、左旋、右旋、伸臂、縮臂，在控制程序中，M1.0控制原位顯示，M1.1、M1.6分別控制左右下降，M1.2控制夾緊，M1.7控制放松，M1.3、M2.0分別控制左右上升，M1.4、M2.2分別控制左旋、右旋運(yùn)動(dòng)，M1.5、M2.1分別控制伸臂、縮臂運(yùn)動(dòng)。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于S7-200系列的CPU 226機(jī)械手，通過PLC的控制來完成兩個(gè)工作臺(tái)之間的工件搬運(yùn)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括伸縮運(yùn)動(dòng)，上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工件的夾緊和放松八個(gè)動(dòng)作過程。本系統(tǒng)和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，具有實(shí)時(shí)、精確、方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］左希慶，吳國(guó)強(qiáng).杯裝奶茶裝箱專用氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)［J］.食品工業(yè).2013（06）：12-14.

［2］包歡歡.氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2013（28）：25-28.

［3］陳向偉，韓青，張學(xué)進(jìn).飛灰測(cè)碳在線執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)及仿真［J］.液壓與氣動(dòng).2012（11）：45-47.

［4］王俊洲，張曉娟.淺談氣動(dòng)機(jī)械手在教學(xué)過程中的應(yīng)用［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā).2012（31）：51-54.

［5］楊振球，易孟林.高精度氣動(dòng)機(jī)械手的研發(fā)及其應(yīng)用［J］.液壓與氣動(dòng).2006（02）：19-22.

Design of Control System for Handling Manipulator Based on S7-200

Huang Pei
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology Xuzhou 221116）

AbstractDesign a based on Siemens S7-200 CPU 226 can be programmable controller（PLC）manipulator.The movement of the manipulator comprises telescopic movement，movement，rotation and workpiece clamping and relax eight action process.In order to meet the requirements of production，mechanical hand divided into single operation，step-by-step operation，single cycle operation and continuous operation of four.In the actual production process using the operation completed two workbench between workpiece handling，with strong stability，high precision，miniaturization of the advantages.

KeywordsS7-200 CPU226 Pneumatic manipulator Pneumatic

中圖分類號(hào)TP216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)160513-7275

作者簡(jiǎn)介

黃培（1981～），性別：男，江蘇徐州人，2005年畢業(yè)于西安科技大學(xué)大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師，現(xiàn)為江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師；主要從事電氣自動(dòng)化與控制系統(tǒng)的教學(xué)與研究。