基于S7-200的搬運機械手的控制系統設計

黃培（江蘇建筑職業技術學院機電工程學院　徐州　221116）

?

基于S7-200的搬運機械手的控制系統設計

黃培
（江蘇建筑職業技術學院機電工程學院徐州221116）

摘要設計了一種基于西門子S7-200系列的CPU 226可編程控制器（PLC）的機械手。機械手的運動包括伸縮運動，上下運動，旋轉運動及工件的夾緊和放松八個動作過程。為滿足生產要求，機械手的工作方式分為單操作、步進操作、單周期操作和連續操作4種。在實際生產過程中利用上述操作完成了兩個工作臺之間的工件搬運，具有穩定性強、精度高、小型化的優點。

關鍵詞S7-200 CPU226搬運機械手氣動

一、引言

氣動機械手是應用最廣泛的機械手類型之一，既可以用于實際生產，又可以用于教學實驗和科學研究。用于實際生產，它能夠滿足裝配作業內容改變頻繁的要求；用于教學實驗，它能夠使人直觀地了解機器人結構組成、動作原理等，所以開發設計和研究氣動機械手具有最廣泛的實際意義和應用前景［1］。本文設計了一種基于西門子S7-200系列的CPU 226可編程控制器（PLC）的機械手。該機械手的運動包括伸縮運動，上下運動，旋轉運動及工件的夾緊和放松八個動作過程。為滿足生產要求，機械手的工作方式分為單操作、步進操作、單周期操作和連續操作4種。該機械手具有穩定性強、精度高、小型化的優點。

二、機械手的整體設計

1、機械手的控制過程

如圖1機械手動作示意圖，該機械手可用來將工件從左工作臺搬到右工作臺，其動作過程分為10工步，即從原位開始順序經過10個動作后完成一個周期，并返回原位。該機械手能夠抓取的工件質量m為10 kg，搬運物料過程中垂直方向加速度和水平方向加速度均為0.3g（g為重力加速度），平面轉動的回轉半徑r為0.5 m，轉動角速度ω 為3.5 rad /s，角加速度β為2.1 rad/，轉動角度為180。

2、氣動部分設計

機械手的氣動原理，如圖2機械手氣動原理圖。

三、系統硬件設計

1、機械手的硬件電路設計

該控制系統的原理，如圖3控制系統原理圖。S7-200經過輸入口獲取輸入量，S7-200經過對輸入量進行處理，輸出進行控制。本此設計中的，直接被控對象是繼電器，通過繼電器的動作再對電磁閥的進行控制然后通過電磁閥控制氣缸的運動。為了進行精確控制，因而本例中使用了閉環控制系統，位置傳感器獲取位置量，并將獲取的值經過I/O接線端子送到S7-200的輸入口，進行反饋控制，從而提高系統的精度［2］。

2、可編程控制器操作面板設計

如圖4操作面板布置圖，其中它包括原位指示、手動開關和工作方式選擇，而手動選擇方式包括夾緊/放松、順旋/逆旋、伸/縮、上/下八個動作；工作方式又分為手動和自動其中自動工作方式有包括：步進操作、單周期操作、連續操作方式。

接通I1.1是單操作方式，按照手動開關選擇的位置，用啟動/停止按鈕選擇手動操作。如在方式下選擇上升/下降運動時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下止按鈕，機械手下降，其它動作的控制類似。這種方式一般維修時使用。

接通I1.2是步進操作方式，機械手在原點時，每按下一次啟動按鈕機械手執行一次運動，按下停止按鈕時機械手恢復到原位。

接通I1.3是單周期操作方式，機械手在原點時，按下啟動按鈕，自動操作一個周期，按下停止按鈕機械手會停止動作，再次按下啟動按鈕可以繼續執行當前沒有執行完的動作。

接通I1.4是連續操作方式，機械手在原點時，按下啟動按鈕，連續執行自動周期操作，當按下停止按鈕時機械手完成此周期動作后自動回到原點不再啟動。

原位指示，當機械手位于原位時此時原位指示燈亮起。

啟動，用于控制機械手的啟動。

停止，按下停止按鈕在不同的運行模式下有不同的作用。

急停，按下急停按鈕機械手能夠使機械手在當前位置停止動作，松開急停按鈕機后械手會繼續執行未執行完的動作。

四、控制系統軟件設計

由于控制系統工作方式較多，所以采用模塊式程序結構。機械手的4種操作方式可分為手動和自動兩種，自動即為步進、單周期和連續［3］。手動程序和自動程序可分別編寫成相對獨立的子程序模塊，通過調用指令進行功能選擇。當工作方式選擇單操作時I1.1接通，執行手動工作程序；當工作方式選擇開關選擇自動方式（步進、單周期和連續）時，I1.2、I1.3、I1.4分別接通執行自動程序控制。

手動操作不需要按工序順序動作，可以按普通繼電器接觸器控制系統來設計。為了保持系統的安全運行，必須設置一些必要的聯鎖保護如機械手只有處于上限位置（I0.2 = 1）時，才允許伸縮臂和左右旋；機械手的夾緊也設置了機械聯鎖，只有機械手處于下限位置（I0.3 = 1）時，才能進行夾緊和放松動作。

機械手的自動操作屬于順序控制，對于順序控制可用多種方法進行編程，用移位寄存器很容易實現這種控制功能，轉換的條件由各行程開關及定時器的狀態來決定［4］。機械手夾緊和放松動作的控制原則，可以采用壓力檢測、位置檢測或按照時間的原則進行控制，本實例用定時器T37控制夾緊時間，T38控制放松時間。

自動操作程序中包含了連續、單周期或步進運動，程序的執行取決于工作方式擇開關［5］。當選擇連續方式時，I1.4使M30.0置“1”當機械手回到原位時，移位寄存器復位即M1.0為“1”又獲得一個移位信號，機械手周而復始地執行各步動作；直到按過停止按鈕后，I0.1 0使M30.0置“0”機械手完成當前一個運動周期后停到原位。當選擇單周期操作方式時，I1.3使M30.0置“0”當機械手在原點時，每按一次啟動按鈕，機械手自動執行一個周期的動作后停止在原位。當選擇步進操作方式時，I1.2使M30.0置“1”每按一次啟動按鈕I0.0才能產生一個移位信號，機械手按動作順序完成一步。

機械手的運動主要包括上升、下降、夾緊、放松、左旋、右旋、伸臂、縮臂，在控制程序中，M1.0控制原位顯示，M1.1、M1.6分別控制左右下降，M1.2控制夾緊，M1.7控制放松，M1.3、M2.0分別控制左右上升，M1.4、M2.2分別控制左旋、右旋運動，M1.5、M2.1分別控制伸臂、縮臂運動。

五、結語

本文設計的基于S7-200系列的CPU 226機械手，通過PLC的控制來完成兩個工作臺之間的工件搬運，機械手的運動包括伸縮運動，上下運動，旋轉運動及工件的夾緊和放松八個動作過程。本系統和傳統的系統相比，具有實時、精確、方便、可靠等優點。

參考文獻

［1］左希慶，吳國強.杯裝奶茶裝箱專用氣動機械手的設計［J］.食品工業.2013（06）：12-14.

［2］包歡歡.氣動機械手回轉臂結構設計［J］.科技創新與應用.2013（28）：25-28.

［3］陳向偉，韓青，張學進.飛灰測碳在線執行機構的氣動機械手設計及仿真［J］.液壓與氣動.2012（11）：45-47.

［4］王俊洲，張曉娟.淺談氣動機械手在教學過程中的應用［J］.企業技術開發.2012（31）：51-54.

［5］楊振球，易孟林.高精度氣動機械手的研發及其應用［J］.液壓與氣動.2006（02）：19-22.

Design of Control System for Handling Manipulator Based on S7-200

Huang Pei
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology Xuzhou 221116）

AbstractDesign a based on Siemens S7-200 CPU 226 can be programmable controller（PLC）manipulator.The movement of the manipulator comprises telescopic movement，movement，rotation and workpiece clamping and relax eight action process.In order to meet the requirements of production，mechanical hand divided into single operation，step-by-step operation，single cycle operation and continuous operation of four.In the actual production process using the operation completed two workbench between workpiece handling，with strong stability，high precision，miniaturization of the advantages.

KeywordsS7-200 CPU226 Pneumatic manipulator Pneumatic

中圖分類號TP216

文獻標識碼A

文章編號160513-7275

作者簡介

黃培（1981～），性別：男，江蘇徐州人，2005年畢業于西安科技大學大學機械電子專業，獲碩士學位，講師，現為江蘇建筑職業技術學院教師；主要從事電氣自動化與控制系統的教學與研究。