1、内容摘要气动机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置，因此本文采用 PLC 可编程控制器作为工件抓取机械手的控制系统，气压驱动作为驱动机构，根据机械手的动作流程和输入输出要求来选 PLC 的型号并确定 I/O 接口，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手完成最后的装夹任务。关键词：机械手 可编程控制器 PLC 控制设计1第一章 引言由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调
2、速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用。下面介绍一种基于 PLC 的气动机械手控制的方法。第二章 系统总体方案设计2.1 程序设计的基本思路在进行程序设计时，
3、首先应明确对象的具体控制要求。由于 CPU 对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。2.2 气动机械手的控制要求：1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向德线圈才能反向运动。2、上升、下降的电磁阀线圈分别为 YV1、YV2；右行、左行的电磁阀线圈为
4、YV3、YV4；3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀 YV5 来实现，线圈通电夹紧，断电松开；4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时 1.7s 实现；5、机械手的限位由行程开关 SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 来实现；22.3 系统的硬件结构与工作方式2.3.1 硬件结构机械手用来将工件从 A 点搬运到 B 点（如图 1），输出 Q0.1 为 1 时工件被夹紧，为 0 时背松开。工作方式选择开关的 5 个位置分别对应于 5 种工作方式，操作面板左下部的 6 个按钮式手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC 发生故障时）能可靠地切断负载电源，设置了交流接触器 KM。PLC 开始运行时按下“负载电源”按
5、钮，使 KM 线圈得电并自锁，KM 的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。左行 SQ3SQ4右行下降夹紧 上升 SQ2松开SQ1图 1 气动机械手示意图2.3.2 气动机械手的工作方式系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图 2）。在手动工作方式下，用 I0.5I1.2 对应的 6 个按钮分别独立控制机械手的升、降、左右行和夹紧松开。在单周期的工作方式下，按下启动按钮 I2.6 后，从初始步 M0.0 开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。在单步工作方式下，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到
6、下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，又往前走一步。单步工作方式常用于系统的调试。3单步回原位单周期连续手动夹紧 SB7 右行 SB5 下降 SB3 启动 SB1 负载电源松开 SB8 左行 SB6 上升 SB4 停止 SB2 紧急停车 SB9图 2 气动机械手的控制面板2.3.3 程序的总体结构下图 3 是主程序机构图，SM0.0 的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。在手动工作方式下，I2.0 为 ON，执行手动子程序。在自动回原点方式下，I2.1 为 ON，执行回原点子程序，在其他 3 种工作方式下执行自动子程序。SM0.0I0.2I2.1I2.4I
7、2.3I2.2图 3 主程序结构图公用EN手动EN回原点EN自动EN4第三章 PLC 控制系统设计3.1 气动机械手的 I/O 地址分配表 表 1 I/0 地址分配表控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码下降停止 下限位开关 SQ1 I0.1上升停止 上限为开关 SQ2 I0.2右行停止 右限位开关 SQ3 I0.3左行停止 左限位开关 SQ4 I0.4上升 上升按钮 SB4 I0.5输入信号 左行 左行按钮 SB6 I0.6松开 松开按钮 SB8 I0.7下降 下降按钮 SB3 I1.0右行 右行按钮 SB5 I1.1夹紧 夹紧按钮 SB7 I1.2手动操作 手动开关 I2.0回原
8、点操作 回原点开关 I2.1单步操作 单步开关 I2.2单周期操作 单周期开关 I2.3连续操作 连续开关 I2.4启动 启动按钮 SB1 I2.6停止 停止按钮 SB2 I2.7下降 下降电磁阀 YV1 Q0.0夹松 夹松电磁阀 YV5 Q0.1输出信号 上升 上升电磁阀 YV2 Q0.2右行 右行电磁阀 YV3 Q0.3左行 左行电磁阀 YV4 Q0.43.2 可编程控制器的 CPU 选择根据上图的 I/O 分配表通过查阅手册选择 S7-200 CPU226 基本单元（24入/16 出）1 台3.3 PLC 外部接线图PLC 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制
9、要求来设定。气动机械手控制外部接线图如图 4 所示。5图 4 cpu226 外部接线图63.4 气动机械手控制流程图(图 5)原理：接通电源是系统启动开始扫描，扫描手动式判断手动按钮的是执行手动操作，扫描回原点开关，是执行回原点操作，扫描单步开关，是执行单步操作，扫描单周期开关，是检测是否在原点，是执行单周期操作，扫描连续操作，是检测是否在原点，是执行连续操作。除了连续操作以外，其他操作执行完以后自动重新扫描。YYNYNYY YN NY Y YN NY YY YN NY图 5 气动机械手控制流程图系统启动回原点手动单步单周期连续手动操作回原点操作单步操作是否在原点是否在原点检测等待检测等待单周
10、期操作连续操作是否停止是否在原点检测等待73.5 程序设计梯形图公用程序见下图用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及处理不同工作方式之间的转换。左限位开关 I0.4、上限位开关 I0.2 的常开触点和表示机械手松开的 M4.5 的常闭触点的串联电路接通时，原点条件 M0.5 变为 ON。当机械手处于原点位置状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或者自动回原点状态，初始步对应的 M0.0 将被置位，进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时 M0.5 为 OFF 状态，M0.0 将被抚慰，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步 M2.0，系统不能再单步，单周期，和连续工作方式下工作。
11、当系统处于手动工作方式时，必须将初始步以外的各部队赢得存储器位（M2.0-M2.7）复位，否则系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动步的情况，一起错误的动作。在非连续方式下，I2.4 的常闭出点闭合，将表示连续工作状态的标志 M0.7 复位。8下图是手动程序，为了保证安全运行，在手动程序中设置了一些必要的连锁。设置上升与下降之间,左行与右行之间的互锁,以防止功能相反的两个输出同时为 ON.有限位开关限制机械手移动的范围。用限位开关 I0.1-I0.4 限制机械手移动的范围。用上限位开关 I0.2 的常开触点与控制左，右行的 M3.6 和左行的M4
12、.4 的继电器串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞。9单周期，连续和单步工作方式的梯形图。101112单周期、连续和单步这三种工作方式主要是“连续”标志 M0.7 和“转换允许”标志 M0.6 来区分的。（1）单步与非单步的区别M0.6 的常开触点接在每一个控制代表步的存储器位的启动电路中，他们断开时禁止步的活动状态的转换，如果系统处于单步工作方式，I2.2 为 1状态，他的常开触点断开， “转换允许”存储器位 M0.6 在一般情况下为 0状态，不允许步与步之间的转换。当某一步的工作结束后，转换条件满足，如果没有按启动按钮 I2.6，M0.6 处于处
13、于 0 状态，起保停电路的启动电路处于断开状态，不会转换到下一步。一直要等到按下启动按钮 I2.6，M0.6在 I2.6 的上升沿 ON 一个扫描周期，M0.6 的常开触点接通，系统才会转换到下一步。系统工作在连续，单周期工作方式下，I2.2 的常开触点接通，是 M0.6为 1 状态，串联在各起保停电路的启动电路中的 M0.6 的常开触点接通，允许步与步之间的正常转换。（2）单周期与连续的区分在连续工作方式下，I2.4 为 1 状态。初始步为活动步时按下启动按钮I2.6，M2.0 变为 1 状态，机械手下降。于此同时，控制连续工作的 M0.7 的线圈通电并自保持。当机械手在步,M2.7 返回最
14、左边时，I0.4 为 1 状态，因为连续标志位M0.7 为 1 状态，转换条件 M0.7-I0.4 满足，系统将返回步 M2.0，反复连续的工作下去。按下停止按钮 I2.7 后，M0.7 变为 0 状态，但是机械手不会立即停止工作，在完成当前工作周期的全部操作后，机械手返回最左边，左限位开关I0.4 为 1 状态，装换条件满足系统才从步 M2.7 返回并停留在初始步。在单周期工作方式，M0.7 一直处于 0 状态。当机械手在最后一步,M2.7 返回最左边时，左限位开关 I0.4 为 1 状态，转换条件满足，系统返回并停留在初始步，按一次启动按钮，系统只工作一个周期。（3）单周期工作过程在单周期
15、工作方式下，I2.2 的常闭触点闭合，M0.6 的线圈通电，允许转换。在初始步时按下启动按钮 I2.6，在 M2.0 的启动电路中，M0.0,I2.6,M0.5 和 M0.6 的常开触点均接通，使 M2.0 的线圈通电，系统进入下降步，Q0.0 的线圈通电，机械手下降。碰到下限位开关 I0.1 时，转换到夹紧不 M2.1，Q0.1 被置位，夹紧电磁阀的线圈通电，并保持。同时接通延时定时器 T37 开始定时，1.7s 后定时时间到，工件被夹紧，转换条件13T37 满足，转换到步 M2.2。以后系统将这样一步一步的工作下去。在左行步 M2.7，当机械手左行返回到原点位置，左限位开关 I0.4 变为
16、 1 状态，为连续工作标志 M0.7 为 0 状态，将返回初始步 M0.0，机械手停止运动。（4）单步工作过程在单步工作方式下，I2.2 为 1 状态，它的常闭触点断开， “转换允许”辅助继电器 M0.6 在一般情况下为 0 状态，不允许步与步之间的转换。设初始步时系统处于原点状态，M0.5 和 M0.0 为 1 状态，按下启动按钮I2.6，M0.6 变为 0 状态。在下降步，Q0.0 的线圈通电，当下限位开关I0.1 变为 1 状态时，与 Q0.0 的线圈串联的 I0.1 的常开触点断开，使 Q0.0的线圈断电，机械手停止下降。I0.1 的常开触点闭合后，如果没有按启动按钮，I2.6 和 M
17、0.6 变为 1 状态，M0.6 的常开触点接通，转换条件 I0.1 才能使 M2.1 的起动电路接通，M2.1 线圈通电并保持，系统才能由步 M2.0 进入步,M2.1。以后在完成某一步的操作后，都必须按一次启动按钮，系统才能转换到下一步。在自动回原点工作方式下，I2.1 为 ON。按下启动按钮 I2.6，M1.0 变为 ON,机械手上升，上升到上限位开关时 I0.2 为 ON，机械手左行，到左限位开关时，I0.4 变为 ON，将步 M1.1 复位，同时将 M4.2 复位，机械手松开。这时原点条件满足，M0.5 为 ON，在公用程序中，初始步 M0.0 是步 M0.1 的后续步。14说明程序
18、由于 S7-200PLC 的顺控指令不支持直接输出的双线圈操作，所以要用中间继电器逻辑过度一下，如本题的机械手下降，上行，夹紧、松开、左行、右行等都需要用中间继电器过渡。1516公用程序语句表Network 1 LD I0.4A I0.2AN M4.5= M0.5Network 2 LD SM0.1O I2.0O I2.1LPSA M0.5S M0.0, 1LPPAN M0.5R M0.0, 1Network 3 LD I2.0R M2.0, 1Network 4 LDN I2.4R M0.7, 1手动操作语句表Network 1LD I1.2S M3.1, 1Network 2 LD I0.
19、7R M3.2, 1Network 3 LD I0.5AN I0.2AN M3.4= M3.3Network 4 LD I1.0AN I0.1AN M3.3= M3.4Network 5 LD I0.6AN I0.4A I0.2AN M3.5= M3.6Network 6 LD I1.1AN I0.3A I0.2AN M3.6= M3.5单步单周期连续语句表Network 1 LD I2.6A I2.4O M0.7AN I2.7= M0.7Network 2 LD I2.6EUON I2.2= M0.6Network 3 LD M2.7A I0.4A M0.7LD M0.0A I2.6A M0
20、.5OLDA M0.6O M2.0AN M2.1= M2.0Network 4 LD M2.0A I0.117A M0.6O M2.1AN M2.2= M2.1Network 5 LD M2.1A T37A M0.6O M2.2AN M2.3= M2.2Network 6 LD M2.2A I0.2A M0.6O M2.3AN M2.4= M2.3Network 7 LD M2.3A I0.3A M0.6O M2.4AN M2.5= M2.4Network 8 LD M2.4A I0.1A M0.6O M2.5AN M2.6= M2.5Network 9 LD M2.5A T38A M0.6O
21、 M2.6AN M2.7= M2.6Network 10 LD M2.6A I0.2A M0.6O M2.7AN M2.0AN M0.0= M2.7Network 11 LD M2.7A I0.4AN M0.7A M0.6O M0.0AN M2.0= M0.0回原位语句表Network 1 LD I2.1A I2.6S M1.0, 1R M4.0, 1Network 2 LD M1.0A I0.2S M1.1, 1R M1.0, 1R M4.1, 1Network 3 LD M1.1A I0.4S M1.1, 1R M4.2, 1Network 4 LD M1.0AN I0.2= M4.3Ne
22、twork 5 LD M1.1AN I0.4= M4.418说明程序语句表Network 1 LD M2.0O M2.4AN I0.1LD M3.4O M4.0OLD= Q0.0Network 2 LD M2.1O M3.1S Q0.1, 1TON T37, 17Network 3 LD M2.5O M3.2O M4.2O M4.5R Q0.1, 1TON T38, 17Network 4 LD M2.2O M2.6AN I0.2LD M3.3O M4.3OLD= Q0.2Network 5 LD M2.3AN I0.3O M3.5O M4.1= Q0.3Network 6 LD M2.7AN
23、 I0.4O M3.6O M4.4= Q0.4总 结在本次课程设计中，采用了 PLC 控制系统设计方案，完成了控制电路设计，在PLC 控制系统设计的过程中根据控制系统的控制电路完成了 PLC 梯形图控制程序，在课程设计中还绘制了系统工作流程图。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工
24、作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。鉴于现在所学知识有限以及课程设计中的时间紧迫，在本文的设计过程中还存在思路不完善之处，在整个系统的设计上，做的还不够细致，仅仅编写了继电器控制线路的控制电路和 PLC 控制线路的电路原理图及梯形图程序。对于一个实用的双层停车场系统的设计而言，还有很多工作要做。因此，对于本文的不足之处还望各位老师给予指点。1参考文献1邓星钟，周祖德.机电传动控制.武汉:华中理工大学出版社，19922 张新军,电气控制与 PLC 技术及应用.济源：济源职业技术学院出版社，20063 黄净，电器及 PLC 控制技术. 北京：机械工业出版社，20024 王玉中, 电气控制及 PLC 应用技术.河南：河南科学技术出版社，20065 王永华, 现代电气控制及 PLC 应用技术.北京航空航天大学，2003
