基于PLC的三自由度氣動機械手控制系統設計

劉世勛，呂明珠，王振龍，杜桐

(1.中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧　沈陽　110164； 2.遼寧裝備制造職業技術學院自控學院，遼寧　沈陽　110161)

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基于PLC的三自由度氣動機械手控制系統設計

劉世勛1，呂明珠2，王振龍1，杜桐1

(1.中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧沈陽110164； 2.遼寧裝備制造職業技術學院自控學院，遼寧沈陽110161)

以自動化生產線中常用的三自由度氣動機械手為研究對象，詳細闡述了系統的組成和工作原理，并設計出可行的氣動控制回路。在軟件設計方面，以西門子S7-200PLC作為控制核心，采用步進控制指令完成了順序功能圖的繪制和梯形圖程序的編寫。實踐證明，該控制方案可以實現氣動機械手的高效、平穩、可靠運行。

三自由度；氣動機械手；S7-200PLC；步進控制指令

1　引言

隨著現代工業自動化程度的提高，機械手被廣泛應用于加工制造、汽車裝配、食品包裝等領域[1]。機械手是一種通過軟件編程來控制其運動方式和軌跡的多自由度機械設備[2]，而氣動機械手是采用氣壓傳動驅動的機械手，由于以壓縮空氣作為工作介質，因而具有結構簡單、動作靈活、占地空間小、控制精度高、易于維護、節能、對環境無污染等突出優點[3]。機械手不僅可以減輕勞動者的勞動強度、提高生產效率，還能在惡劣條件下操作以保護人員安全[4]。機械手最核心的部分是控制系統，本文主要介紹了基于西門子S7-200系列PLC對三自由度氣動機械手的控制系統設計。

2　系統組成及工作流程

本機械手的執行終端為機械手臂和手爪，均為氣壓驅動[5]，如圖1所示。其中，機械手臂又分為水平臂和垂直臂，水平臂控制機械手的伸出和縮回動作，垂直臂控制機械手的上升和下降動作，搬運時機械臂可以實現右旋和左旋動作，因此本機械手可以實現3個自由度控制。

為了保證控制的可靠性，手臂部分采用了雙電控的二位五通電磁閥實現方向控制，另外，我們希望旋轉時它能在任意位置上停止，因此旋轉動作采用雙電控的二位五通電磁閥控制，執行元件則采用了雙作用氣缸實現手臂的伸縮、升降和左右移動，手爪部分則采用單電控電磁閥實現夾緊和松開，其氣動部分原理圖如圖2所示。

圖1　氣動機械手結構圖

圖2　氣動部分原理圖

還有物料工作臺可以將工件送至工作位，便于機械手實現工件的抓取，由單控電磁閥配合物料提升氣缸實現控制，其結構如圖3所示。

圖3　物料工作臺結構圖

另外，為了提高控制精度，在氣動機械手各個工作位置及終端均安裝了傳感器[6]，如在物料臺上安裝了光電傳感器用來檢測有無工件，在手臂氣缸的伸出、縮回、旋轉終端各安裝了限位磁性傳感器防止運動超程，在手爪部分也安裝了磁性傳感器用來感知工件是否夾緊，再加上物料提升氣缸的上下限位磁電開關，本機械手系統上共有10個信息輸入采集點。

本氣動機械手主要在工業現場中完成工件在不同地點的搬運功能，其工作流程如下：原位→水平臂伸出→垂直臂下降→夾緊工件→垂直臂上升→水平臂縮回→右行→水平臂伸出→垂直臂下降→下放工件→垂直臂上升→水平臂縮回→左行，完成一個周期的動作。

3　PLC控制設計

3.1PLC的地址分配

在控制系統的選取上，采用了目前使用比較普遍、性價比較高的西門子S7-200系列PLC，輸入點數與傳感器的數目相對應，總共有10點，而輸出點數與電磁閥相對應，總共有8點，這樣本機械手的輸入、輸出點數分配如表1所示。

表1　氣動機械手PLC I/O地址分配表

3.2軟件設計

機械手的動作是上電后處于原位，原位時機械手位于左邊，水平臂為縮回狀態，垂直臂保持上升狀態。由于各手臂均采用雙向電控閥控制，初始時可置位保持原位狀態；當工作臺檢測到有工件時，物料提升氣缸上升至上限位處，然后伸縮氣缸伸出至前限位點，接下來升降氣缸下降至下限位點，再由手爪夾緊工件，下一個動作是升降氣缸上升至上限位點，然后是伸縮氣缸縮回至后限位點，之后機械手右行至右限位點，右行到位后，物料提升氣缸下降至下限位處，伸縮氣缸在伸出至前限位，然后升降氣缸再下降至下限位，下一步是手爪放松下放工件，完成工作的搬運。接下來，機械手應返回原位，即手臂先上升再縮回然后左行至左限位點。到此，氣動機械手完成了一個工作周期，若工作臺再檢測到有工件時，則可立即進入下一循環。

必須指出，為了讓每一個工作步執行到位之后再進入下一動作，在設計時應考慮加入一定的等待時間，如1s。

由于機械手的動作是按照順序進行的，故可采用S7-200系列PLC的步進控制指令來編寫控制程序，其順序功能圖如圖4所示，有了此功能圖就可以很方便地轉換為梯形圖程序，部分程序如圖5所示。

圖4　PLC順序功能圖

4　結束語

通過S7-200系列PLC實現了對三自由度氣動機械手的控制系統設計，完成了自動化生產線上對于機械手的搬運功能的要求，該控制程序具有運行可靠性高、平穩性好、修改容易等特點，有較強的實際應用意義。

圖5　部分PLC控制程序

[1]范金玲.基于PLC的氣動機械手控制系統設計[J].液壓與氣動,2010,7:36-37.

[2]王月芹.基于PLC的機械手控制系統設計[J].液壓與氣動,2011,9:41-42.

[3]關明，周希倫，馬立靜，等.基于PLC的機械手控制系統設計[J].制造業自動化,2012,7(下):120-121.

[4]李堅雄.基于PLC的機械手爪控制系統設計[J].機電技術,2010,1:105-106.

[5]陸振先，袁 凱，曹瓊興，等.基于PLC的兩自由度并聯機械手控制系統研究[J] .徐州工程學院學報：自然科學版,2014,29(1):67-71.

[6]齊繼陽，吳倩，何文燦，等.基于PLC和觸摸屏的氣動機械手控制系統的設計[J].液壓與氣動,2013,4:19-21.

Design of Three Degree of Freedom Pneumatic Manipulator Control System Based on PLC

LIU Shi-xun1,LV Ming-zhu2,WANG Zhen-long1,DU Tong1

(1.CQC North Laboratory (ShenYang)Co.,Ltd.Liaoning Shenyang 110164,China; 2.Department of Automatic Control,Liaoning Equipment Manufacturing Professional Technology Institute,Liaoning Shenyang 110161,China)

The three degree of freedom pneumatic manipulator used in automatic production line was studied in this paper.The composition and working principle of the system were described in detai,and then the feasible pneumatic control circuit was designed.As to software design,the paper took the SIEMENS S7-200 PLC as the control core,the sequential function chart and the ladder-shaped program were drawn by using the step control instructions.The practice proves that the system has run efficiently,steadily and reliably with the measures metioned.

three degree of freedom;pneumatic manipulator;S7-200PLC;step control instructions

1004-289X(2016)01-0038-03

TP241

A

2015-12-28

劉世勛(1980-),男,遼寧沈陽人，研究生學歷,碩士學位，工程師，主要從事機電產品的檢測和研究；

呂明珠(1980-),女,遼寧沈陽人，研究生學歷,碩士學位，講師,主要從事電氣工程和自動控制領域的教學和研究。