基于PLC的四自由度氣動機械手控制系統設計研究

周曉娟，臺暢

（河南機電職業學院，河南 新鄭 451191）

1 前言

隨著科技的不斷進步和發展，機器人對于人們已不再陌生。XK-4自由度氣動機械手是針對廣大機械類、機電類、自動化類專業而設計的產品。它是根據人類手的結構和原理設計制造出的四自由度氣動機械手。該裝置主要由四個自由度，每個自由度均有一個氣動執行元件完成。每個氣動執行元件均由換向閥控制換向。該裝置還特意增加了氣控閥、機控閥等換向閥，這樣便于對氣動控制回路的理解和各種氣動元件的原理與利用進行掌握。它具有結構簡單、控制精度高、占地空間小、節能等優點。除此之外，它還可以減輕勞動者的勞動強度、提高生產效率，工作人員在惡劣條件下進行操作，保護工作人員的安全。控制系統是機械手最核心的部分，本文主要介紹了基于西門子S7-200系列PLC對四自由度氣動機械手控制的系統設計。

2 系統組成和工作流程

2.1 氣動機械手結構圖

氣動機械手的結構圖如圖1所示。

2.2 任務描述

編制送料、搬運、分揀三個單元生產線的PLC控制程序。控制要求如下：（1）供料單元。在供料單元，系統啟動后，若工件庫里有工件，則氣缸伸出，把工件推到物料臺上;若工件庫內沒有工件(光電傳感器2)或工件不足(光電傳感器1)，則黃色報警指示燈以亮0.2s、滅0.2s的方式快速閃爍。物料臺上的工件被搬運單元機械手取出后，若系統啟動信號仍為ON，則進行下一次推出工件操作。（2）搬運單元。在搬運單元，機械手先復位，回到原位后，物料臺有工件時開始搬運動作，把工件從物料臺上搬運到傳送帶上，然后回到原位；若系統啟動信號仍為ON，則再次循環運行。機械手動作順序為：原位→右旋→伸出→抓取→縮回→左旋→電機正轉帶動機械手前行到達前極限停止一→機械手放下工件(動作為伸出→松開→縮回)→電機反轉→機械手回到原位。原位時機械手縮回到左極限位置，氣動手指縮回，氣爪松開。（3）分揀單元。在分揀單元，當入料口檢測到工件后，傳送帶啟動，把工件帶入分揀區。若工件為白色，則該工件到達1號滑槽，傳送帶停止，工件被推入1號槽中；若為黑色，則旋轉氣缸旋轉，工件被推入2號槽中。當1號槽內白色工件個數達到3個，同時，2號槽內黑色工件個數達到2個，則分揀完成。設備進行包裝處理，傳送帶停止，5s后自動進入下一個周期，傳送帶繼續運行。

3 系統分析及程序

根據本任務描述所涉及的內容，設計PLC控制程序并調試運行。

系統分析：本生產線系統可采用3段子程序控制，即供料子程序、搬運物料子程序和分揀物料子程序。

供料子程序：在供料單元，系統啟動后，若工件庫里有工件，則氣缸伸出，把工件推到物料臺上；若工件庫內沒有工件（光電傳感器2）或工件不足（光電傳感器1），則黃色報警指示燈L1閃爍。

搬運物料子程序：搬運單元先復位，物料臺有工件時，機械手按定的動作順序把工件搬運到傳送帶上。

分揀物料子程序：在分揀單元，傳送帶按照預定的方式運行，設備進行物料分揀和包裝處理等工作。

3.1 氣動機械手I/O地址分配表

氣動機械手I/O 地址分配表如表1所示。

3.2 PLC外部接線圖

PLC外部接線圖如圖2所示。

圖2 PLC外部接線圖

3.3 控制系統軟件設計

控制系統程序部分梯形圖程序如圖3和圖4所示。

圖3 主程序部分程序

4 結語

通過S7-200系列 PLC 實現了對四自由度氣動機械手的控制系統設計，編制了自動化生產線上對機械手的送料、搬運、分揀三個單元生產線的PLC控制程序。通過調試運行，證明了該程序具有很好的可靠性和平穩性，驗證了四自由度氣動機械手在自動化生產中的靈活性和可靠性。

圖4 手動控制程序部分程序