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1、内容摘要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。关键词关键词：机械手 可编程控制器 PLC 控制设计1第一章第一章 引言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
2、污染环境、容易实现无级调速、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。 第二章第二章系统总体方案设计系统总体方案设
3、计2.1 程序设计的基本思路程序设计的基本思路在进行程序设计时，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。2.22.2 气动机械手的气动机械手的控制要求：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
4、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 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
5、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SQ3 SQ4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
6、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
7、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。SM0.0I0.2I2.1I2.4I2.3I2.2图 3 主程序结构图公用EN手动EN回原点EN自动EN4第三章第三章 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计3.13.1 气动机械手的气动机械手的 I/OI/O 地址分配表地址分配表 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SQ1I0.1 上升停止上限为开关SQ2I0.2 右行停止右限位开关SQ3I0.3 左行停止左限位开关SQ4I0.4上升上升按钮SB4I0.5 输入信号左行左行按钮SB6I0.6 松开松开按钮SB8
8、I0.7 下降下降按钮SB3I1.0 右行右行按钮SB5I1.1 夹紧夹紧按钮SB7I1.2 手动操作手动开关I2.0 回原点操作回原点开关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SB1I2.6停止停止按钮SB2I2.7 下降下降电磁阀YV1Q0.0夹松夹松电磁阀YV5Q0.1 输出信号上升上升电磁阀YV2Q0.2 右行右行电磁阀YV3Q0.3左行左行电磁阀YV4Q0.43.23.2 可编程控制器的可编程控制器的 CPUCPU 选择选择根据上图的 I/O 分配表通过查阅手册选择 S7-200 CPU226 基本单元（24入/16
9、出）1 台3.33.3 PLCPLC 外部接线图外部接线图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63.43.4 气动机械手控制流程图气动机械手控制流程图( (图图 5)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。Y YNYN Y Y
10、YNNYYYN NN NY YY Y YYN NN NY Y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期操作连续操作是否停止是否在原点检测等待73.53.5 程序设计梯形图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
11、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。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
12、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M4.4 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
13、，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
14、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.
15、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 T
16、37 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 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 M0.6 变为 1 状态，M0.
