1、机械手操作控制装置1课题内容 用 PLC 对机械手（实物模型）操作进行控制，设机械手起始点位乙地，工作时可将工件从甲地取起，将工件翻转后放至丙地，周而复始完成每个工件的翻转，机械手的动作步骤如下：乙地甲地（左转）抓取工件丙地（右转）放置工件返回乙地（左转）输入输出点的分配：10001左转限位 E100001左转 M110002右转限位 E200002右转 M110003抓手开放度限位 E3 00003抓取 M210004抓手开放度限位 E4 00004抓取 M22工艺过程与控制要求机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的
2、研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机 械 手 的 种 类 ， 按 驱动 方 式 可 分 为 液 压 式 、 气 动 式 、 电 动 式 、 机 械 式 机 械 手 。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，工业上机械手的应用业越来越广泛，对机1械手的控制要求和精度也越来越高。 下面设计一个简单的机械手移动工件控制系统。图 a 所示为一简易机械手的工艺过程。该机械手
3、石一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从左工作台搬运到右工作。如图是机械手的控制示意图，其过程并不复杂，一共有 6 个动作，分为 3 组，即上升/下降，左转/右转和放松/夹紧。图 1 机械手控制示意图机械手的全部动作由汽缸驱动，而汽缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈的两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降，当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升，当上升电磁阀断电时，机械手停止上升。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧动作由一个单线圈的两位电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；
4、当该线圈断电时，机械手放松。 当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件 尚未搬走，机械手应自动停止下降，用光电开关进行有无工件的检测。Xxx：机械手控制装置2原 位 下 降 夹 紧 上 升 右 移下 降放 松上 升左 移 123456789图 2 机械手的动作过程图从原点开始，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升，上升到顶后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀
5、，机械手右移。右移到位后碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底时碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，机械手停止上升；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关后，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过 9 步动作完成了一个周期的工作。机械手的每次循环动作均由原位开始。3机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为步进，单周期和连续操作。手动操作：利用按钮操
6、作对机械手的每一步运动进行单独控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择左/右运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松；步进操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。单周期操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。连续操作：机械手从原点开始，按一次启动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。3操作面板布置操作面板布置如图 3 所示上 /下左 右 夹 紧 步 进 选 择 连 续单 操 作 单 周 期加
7、 载 选 择 工 作 方 式 选 择启 动 停 止指 示 灯 组图 3 PLC 操作面板示意图Xxx：机械手控制装置44输入/输出端子地址分配该机械手控制系统所采用的 PLC 是德国西门子公司生产的 S7-200CPU224，图 4 是 S7-200CPU224 输入/输出端子地址分配图。该机械手控制系统共使用了 14 个输入点，6 个输出点。 启 动 I0.123456S7-CPU上 限下 限左 限右 限停 止 上 升Q0.12Q0.34下 降左 转 右 转夹 紧无 件单 操 作步 进单 周 期连 续左 右上 下夹 松 I0.12345工 作 方 式 选 择加 载 选 择 5原 点 指 示图
8、 4 机械手的输入/输出接线图5整体程序结构机械手的整体程序结构图如图 5 所示。5单 操 作 方 式 断 开单 操 作 程 序LBJMP在 步 进 操 作 方 式 断 开I0.71步 进 操 作I.210M1.SRI.6停 止 自 动 操 作LBENDSM0DN I0.712A 3DI0,O6 3M.图 5 机械手控制系统整体程序图若选择单操作工作方式，I0.7 断开，接着执行单操作程序。单操作程序可以独立于自动操作程序，可另行设计。在单周期工作方式下，可执行自动操作程序。在步进工作方式下，执行步进操作程序，按一下按钮执行一个动作，并按规定顺序进行。在需要自动操作方式时，中间继电器 M1.0
9、 接通。步进工作方式，单操作工作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。6单操作工作的程序如图 6 是实现单操作工作的梯形图程序。Xxx：机械手控制装置6SI1.302Q4.3605RI0.46Q10.右 行左 行夹 紧放 松下 降上 升图 6 机械手单操作梯形图为避免发生误动作，插入了一些连锁电路。例如，将加载开关扳到“左右”档时，按下启动按钮，机械手右行；按下停止按钮，机械手向左行。这两个动作只有当机械手处在上限时才能执行。将加载开关扳到“夹/松”档，按下启动按钮，执行夹紧动作；按下停止按钮，松开。将加载开关扳到“上/下”档，按下启动按钮，下降；按停止按钮，上升。7自动操作程序如图 7
10、是机械手自动操作功能图。7复 位 S0.123S0.45671IN DPTIN DPT4Q5Q2M.0478原 点 指 示下 降夹 紧上 升右 行下 降松 开上 升左 行图 7 自动操作顺序功能图（SFC）PLC 由 STOP 转为 RUN 时，初始脉冲 SM0.1 对状态进行初始复位。当机械手在原点时，将状态继电器 S0.0 置 1，这是第一步。按下启动按钮后，置位状态继电器 S0.1，同时将原工作状态继电器 S0.0 清零，输出继电器 Q0.0得电，Q0.5 复位，原点指示灯熄灭，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I0.1 接通，将状态继电器 S0.2 置 1，同时将状态继电器 S
11、0.1 清零，输出继电器 S0.0 复位，Q0.2 置 1，于是机械手停止下降，执行夹紧动作；定时器 T37 开始计时，延时 1.7s 后，接通 T37 动合触点将状态继电器 S0.3置 1，同时将状态继电器 S0.2 清零，而输出继电器 Q0.1 得电，执行上升动作。由于 Q0.2 已经被置 1，夹紧动作继续执行。当上升到上限位时，I0.2接通，将状态继电器 S0.4 置 1，同时将继电器 S0.3 清零，Q0.1 失电，不再上升，而 Q0.3 得电，执行右行动作。当右行至右限位时，I0.3 接通，Q0.3失电，机械手右行停止，若此时 I0.5 接通，则将状态继电器 S0.5 置 1，同Xx
12、x：机械手控制装置8时将状态继电器 S0.4 清零，而 Q0.0 再次得电，执行下降动作。当下降到底碰到下限位开关时，I0.1 接通，将状态继电器 S0.6 置 1，同时将状态继电器 S0.5 清零，输出继电器 Q0.0 复位，Q0.2 置 1，于是机械手停止下降，执行松开动作；定时器 T38 开始计时，延时 1.5s 后，接通 T38 动合触点状态继电器 S0.7 置 1，同时将状态继电器 S0.6 清零，而输出继电器 Q0.1 再次得电，执行上升动作。行至上限位置，I0.2 接通，将状态继电器 S1.0 置 1，同时将状态继电器 S0.7 清零，Q0.1 失电，停止上升而 Q0.4 得电，
13、执行左行动作。到达左限位，I0.4 接通，将状态继电器 S0.1 清零。如果此工作状态为连续工作状态，M1.0 置 1，即将状态继电器 S0.1 置 1，重复执行自动程序。若为单周期操作方式，状态继电器 S0.0 置 1，则机械手停在原点。在运行中，如按停止按钮，机械手的动作执行完当前一个周期后，回到原点自动停止。在运行中，PLC 掉电，机械手动作停止。重新启动时，先用手动操作将机械手移回原点，再按启动按钮，便可重新开始自动操作。步进动作是指按下启动按钮动作 1 次。步进动作功能图与图 7 相似，只是每步动作都需按 1 次启动按钮。步进操作所用的输出继电器，定时器与其他操作所用的输出继电器，定
14、时器相同。机械手自动操作梯形图如下:9SM0.1 OV_WENIUTS024Q0.51SM0.2I1SsCRTCRTM0.Q2T37T37SM0.2IS4CRE1IN OPCRECRTEXxx：机械手控制装置10SM0.I3Q5SM0.21I6CRTECRTESM0.Q2T387S0.M23R1IN OP5CRECTSREI1.0Q4I01M.S0Q2M.013CTRE图 8 机械手自动操作梯形图118.PLC外围端子接线图 1L 0.23* L0.4563 71.0N LACM2M45M+2V DC传 感 器电 源 输 出(+)(+)N-N-120/4 AC电 源启动按钮 下限限位开关 上限
15、限位开关 右限限位开关 左限限位开关 无式件检测开关 停止按钮 单操作 步进操作 单周期操作 连续操作 左与右 上与下 夹松下降电磁阀 上升电磁阀 夹紧电磁阀 右行电磁阀 左行电磁阀 原点指示图 9 PLC 端子外围接线图设计总结通过这次 PLC 控制机械手的设计，让我对了 PLC 的设计原理，PLC 梯形图、指令表、外部接线图等有了更深的了解。 从而在 PLC 的工程项目上有了更深的认识。在机械手自动控制系统的设计中，采用了技术先进，可靠性较高的可编程控制器，这使机械设备更灵活有效，动作准确，易于维护劳动生产率大大提高，各种操作方式自由切换，满足了各种生产需求。并减少了维修量，提高了工效，具
16、有很强的实用性。Xxx：机械手控制装置12机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。 通过现场实践证明，采用西门子 S7 系列 PLC 对机械手进行控制，大大提高了机械手的工作效率，节省了劳动成本，而且它的安全可靠性较高。参考文献1张万忠 刘明芹 电器与 PLC 控制技术 M化学工业出版社2鲁远栋 冼进 PLC 机电控制系统应用设计技术 M电子工业出版社3丁筱玲 赵立新 PLC 在机械手控制系统上的应用 J山东农业大学学报，20064求是科技 PLC 应用开发技术及工程实践 M人民邮电出版社 2005附录:工程元器件清单序号 名称 规格 数量1 PLC CPU224 AC/DC/Relay12 熔断器 RT18-63 1133 机械手 14 气缸 35 双线圈两位电磁阀 46 单线圈两位电磁阀 27 按键开关 YD-04 28 继电器 59 指示灯 310 限位开关 411 光电开关 112 定时器 2
