PLC機械手自動搬運控制系統的硬件設計

一、設計背景及發展前景

隨著科技日益進步，以前需要人工加工制造的行業開始向自動化技術轉變。作為近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，工業機器人、機械手在現代制造技術領域中扮演了極其重要的角色，在現階段，機械手被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等存在著各種各樣的生產環境。

專用機械手經過幾十年的發展，如今已進入以通用機械手為標志的時代，由于通用機械手的應用和發展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。

PLC控制機械手可按使用要求選購相應的產品完成復雜的邏輯控制，其以邏輯控制為主，也可以組成模擬量控制系統，軟硬件開發工作量較少，輸出帶負載能力和抗干擾能力強，可靠性好，環境適應能力強。在我國，近幾年來也有較快的發展，并取得一定的效果。隨著科學與技術的發展，機械手在工業生產和裝備制造領域中充當著非常重要的角色，尤其是它能代替人工在有害環境中進行操作以保護人工的生命安全，在各個領域都有機械手的影子，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普通。

二、機械手臂的構造及工作方式

機械手是能夠模仿人手動作，并按設定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運工件或工具或進行操作的自動化裝置，它能部分的代替人的手工勞動。

機械手的執行機構主要由手部、手腕、手臂和立柱等部件組成。

（1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。

（2）手腕是聯接手部和手臂的部件，其調整或改變工件方位的作用。

（3）手臂是支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。

（4）立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯系。

（5）機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于基座上，故起支承和聯接的作用。

本次設計共4種運行方式供選擇，但4種運行方式的工作流程都是相同的，當我們按下啟動按鈕時，機械手臂會進行下降，到達下降極限時，機械手臂進行抓緊動作，在延時抓緊后機械手會保持抓緊動作并做上升動作，當到達上升極限時，手臂將進行右移動作，達到右移極限時，下步進行下降動作，再次達到下降極限時，手臂結束抓緊動作，隨后上升并左移回到初始位置。

1）調整工作方式：可按相應按鈕實現左移、右移、上移、下移、加緊、放松的單獨調整工作方式。

2）連續工作方式：按下啟動按鈕，機械手將進行下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的工作循環;按下停止按鈕時，機械手將自動結束本循環的工作，回到原位后停止。工作周期內按下急停按鈕，系統立即停止。

3）單周工作方式：按下啟動按鈕后，機械手進行下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的自動工作周期一次并最終停止。如果要再工作一個周期，則需再次按下啟動按鈕。當按下停止按鈕時，機械手自動結束本周期的工作，回到原位后停止。工作周期內按下急停按鈕，系統立即停止。

4）步進工作方式：每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后停止。再次按下啟動按鈕，完成下一步動作后再次停止，直到工作周期結束，每步需按下一次啟動按鈕，工作周期內按下急停按鈕時，系統立即停止。

三、控制系統的PLC選型及I/O分配

西門子PLC在中國市場的占有率很大且廣泛的應用在多種領域里，同時也是技術比較成熟、最具有特色和最具有代表性的微型PLC，除基本的指令表編程外，還可以用采用梯形圖及對應機械動作流程進行順序功能圖編程，而且這些程序可以互相轉換。綜上，西門子PLC更加符合我們經濟和要求，因此我們選擇PLC作為本次的控制中心。

西門子系列PLC具有的最大特點是：

1）結構采用基板和背板總線方式，基板上有一個串行通信總線和一個并行I/O總線，PLC分解為模塊，可按積木式結構自由配置系統，不同功能模塊可靈活組合、擴展十分方便。

2）PLC的核心--中央處理器可升級為INTEL80486乃至Pentium處理器。

3）在編程手段上是開放的，可用WINDOWS平臺下的STEP 7編制PLC程序，或作為網絡節點運行聯網軟件。

S7-200 CPU外部結構

西門子PLC有S7-200，S7-300，S7-400等不同的幾種型號，各種型號的用途也有所不同，其中S7-200小型的電氣系統中應用更加廣泛，更注重邏輯控制，而S7-300用于稍大的控制系統，可實現復雜的工藝控制，s7-400用于大型控制系統，主要實現冗余控制等，由于我們本次實驗是對模型的機械手進行控制，其屬于小型的控制系統，而且邏輯控制要求也比較高，因此我們選擇西門子PLCS7-200 CPU224作為本次控制中心的型號。根據前述的機械手工作方式，估算I/O口數量，選擇CPU 224作為本次控制中心的C型號。

I/O分配表

如表所示，從I0.0至I1.4對模式選擇及不同模式啟動、中斷和停止分配了輸入口，總共需13個輸入口和5個輸出口。

其輸入端口I0.0連接啟動按鈕，輸入端口I0.1連接停止按鈕，輸入端口I0.2連接急停按鈕，輸入端口I0.4連接上升按鈕，輸入端口I0.5連接下降按鈕，輸入端口I0.6連接左移按鈕，輸入端口I0.7連接右移按鈕，輸入端口I1.0連接加緊按鈕，輸入端口I1.1連接放松按鈕，輸入端口I1.2連接調試模式按鈕，輸入端口I1.3連接步進模式按鈕，輸入端口I1.4連接連續模式按鈕，輸入端口I1.5連接單周模式按鈕;輸出口Q0.0連接下降電磁閥，表示機械手下降動作，輸出口Q0.1連接加緊電磁閥，表示機械手夾緊動作，輸出口Q0.2連接上升電磁閥，表示機械手上升動作，輸出口Q0.3連接右移電磁閥，表示機械手右移動作，輸出口Q0.4連接左電移磁閥，表示機械手左移動作。輸入口和輸出口數量都可以滿足控制要求，故不需要加擴展模塊。

四、總結

本文采用西門子S7-200作為編程器對機械手臂進行控制，實現了多種控制運行方式，真正做到針對不同工作環境與情況可選擇不同的工作方式，完成以節約環保為出發目的的設計，與此同時也不缺安全與高效的可靠性，在實踐中可基本脫離現場環境，事先編制出符合要求的控制軟件，以達到提高實際調試的成功率，運行在不同的方式下，實現諸多操縱方式的模擬，克服了仿真軟件功能單一。

作者簡介：

馬延東、男、漢族、江蘇徐州、大學本科、徐州三新供電服務有限公司、 研究方向：電氣工程、