气动机械手控制系统机械手设计

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1、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。关键词关键词关键词关键词：机械手 可 编程控制器 PLC 控制设计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

2、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系统总体方案设计系统总体方案设

3、计系统总体方案设计系统总体方案设计2.1程序设计的基本思路程序设计的基本思路程序设计 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。2.2气动机械手气动机械手气动机械手气动机械手的的 的的控制要求控制要求控制要求控制要

4、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；2.3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

5、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 开负载电源图1气动机械芋示意图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I0.511.2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

6、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。图持气切机械的控制面板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。第三章PLC控制系统设计控制系统设计控制系

7、统设计控制系统设计3.1气动机械手的气动机械手的气动机械手的气动机械手的I/O地址分配表地址分配表地址分配表地址分配表k II/O地址分配表撑制危y洲湘强符V地址编峪卜限仰为:叫U. 1上升停亡上为开斐02(1.2右行停止厘庄位II上叫，:：【山；5发：厅停.亡仰地开其SQ 1(I. 1上升J.FHiVUM MUM输入佶号左行七节按叫Nib10.ti股开投FI成钮SH8下降:降按钥SI13L1.】liClfi加叱23LD.312汨剥CN心亦114堆据E120EL 总122N23LIE4】爵E7N 1/dVfle博A旦fl旦0dd甘-affT日Tilt / JH FE ，一|她3JJJJ的一Ft

8、中成6濒3.4气动机械手控制流程图气动机械手控制流程图气动机械手控制流程图气动机械手控制流程图(图图图图 5)5)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。图5气一仙机械手1?制流可图3.5程序设计梯形图程序设计梯形图程序设计梯形图程 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

9、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。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

10、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M4.4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。MS 111 2e iI I)呵:B 3IC- 7MS. 2回落3g

11、5to. wio. &g” 3II，PIC )II- 010. 1MS. 3M3. 4II1 f I1 ,1c )单周期，连续和单步工作方式的梯形图。MS im 9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.

12、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

13、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工作方式下，I2.2的常闭触点闭合，M0.6的 线圈通

14、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T37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）

15、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，M0.6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

16、,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。同埼aKl. DID. 2M4. 3I I1 , IC )ML. 1IV. 4-I I，C )说明程序由于S7-200PLC的顺控指令不支持直接输出 的双线圈操作，所以要用说明程序由于S7-200P

17、LC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 右行等中间继电器逻辑过度一。公用程序语句表Network 1SMO A 1LD10.4LPPA0.2ANM0.5ANM4.5RMoe, i二MO. 5Network 3Network 2LD12.0LDSM0.IRM源10120Network 4O12 JLDN12.4LPSRMO.AM05Metwork IANM3.3LD11.2M3,4SM3. L 1N&tMork 5Nenvork 2LD10.6LD10.7AN104RM32 IA0.2Network 3ANM3.5

18、LD10.5M3.6AN10.2Xetxvork 6ANM3.4LDIl.l=M33AN103Network -4A10.2LD11.0ANM3.6ANIO.单步周期操作语句表M3.5Network 1A10.4LD06AM0.7A124LDMOO0MOJA12.6AN12.7=M0.7AOLDM0.5Network 2AM0.6LD12.6OM2.0ELIANM2 JON12.2=MN0=MO.6X&twork 4Network 3LDM2.0LDM2 7ATO.AMO .6AMoe0M2 10M2,5ANM22ANM2.6二M2 JM2,5Network 5Network 9LD1LDM2

19、,5AT37AT38AMO .6AM0,60M2.2OM26ANM23ANM2.7M2n2=6Network 6Nel work ILOLDM2+2LDM2.6A10,2AIC.2AM0.6AM0,60ML30M2,7ANM244ANM2.0二M2.3ANMO.ONetwork 7ML7LDM2,3Network 11A103LDM2,7AM06AIQ .40M24ANM07AN112SAMO. 6M2.4QM0,0Network BANM2ALDM24MO.OAQINetwork 1LD12.1A12,6SMLO, 1RM40 1Network 2 LDMI.OAT0,2SMl.l? 1RM

20、IQ 1RM4J, 1Network 3说明程序语句表LDM2.0OM2.4AN10.1LDM3.40M4.0OLDQQ.ONetwork 2LDM210M3Network ITONQO.i, 1T37, 17Network 3AT0.4SMl,RM4,2,Network 4LDMIOAN10(2M4.3Network 5LDM1JAN10 X二M4.4Network 4LDM2.2OM2.6ANro.2LDM3.3OM4.3OLDQ0.2Network 5LDM23AN103OM3.5OM4JQ0.3LDMilMet work 611LDM2.52 2 53.4.4.M M MT3LDANo

21、b -2.启micim.6V 4MQO-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

22、量的工作，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 予指导。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，1992 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