基于PLC控制机械手基本设计

徐海洋

摘 要：本文结合机械手的工作过程原理和控制要求，设计了基于PLC控制的机械手，重点介绍了控制系统的设计思路、PLC的选择以及PLC程序设计。

关键词：可编程控制器（PLC） 机械手 控制

中图分类号：TH11 文獻标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0224-02

一、机械手的工作过程及控制要求

1.机械手的基本结构

机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图1-1为机械手简图，其中 1-执行气爪，2-水平伸缩气缸，3-旋转轴，4-竖直气缸，5-底座，6-工件。

机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。由于采用了模块化拼装结构，可组成立柱型气动机械手、门架型气动机械手及滑块型气动机械手，及其它各种类型的机械手。气动机械手具有三个自由度，即水平（Z）方向自由度、垂直（Y）方向自由度和旋转自由度，并可以采用多种灵活的控制方案。

2.机械手的控制要求

根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开始，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转。当光电开关检测到物品后，左传送带停止运行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-1所示。

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作，自动操作又分为单周期操作和连续操作方式。

2.1 机械手的自动运行：

① 下降：② 加紧工件：③ 上升： ④ 右移： ⑤ 下降：⑥ 放松工件：⑦ 上升： ⑧ 左移：⑨ 回到原位又开始新的工作循环周期。

2.2 机械手的手动运行

手动运行是指机械手的上升、下降、左移、右移及夹紧操作通过对应的手动操作按钮控制，与操作顺序无关。

二、机械手PLC控制的设计

1.设计思路

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

送料机械手的动作示意图如图3-1 所示。启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。

2.PLC的选择

该机械手的控制为纯开关量控制，且所要的I/O点数不多，因此选择一般小型抵挡机即可。由于所要的I/O点数为15/6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留裕量。

由于不同记性的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。如图所示的编号。

3.PLC程序设计

为了便于编程，先绘制出整个控制程序的结构框图，如图3-1所示。

在该结构框图中，当操作方式选择开关置于“手动”时，输入点X407接通，其输入继电器常闭接点断开，执行手动操作程序。

由于手动程序和自动程序采用了跳转指令，因此在着两个程序段可以采用同样的一套输出继电器。

用移位器编程：由于自动操作的控制比较，不容易直接设计出梯形图，因此可以先画出自动的操作流程图，用以表明动作的顺序和条件，如图3-2。

图3-2中，矩形方框代表完成某一动作的控制程序，方框之间的箭头线用以表示程序的转换，箭头线上的小横线用以表示转换的条件。

当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限开关，输入点X402和X404接通，产生原点指示输出。

根据自动操作的流程图，就可以设计自动操作的梯形图如图3-3所示。

梯形图的控制原理：

3.1连续及单周期操作

在连续及单周期操作方式下，单步输入点X410断开，输入继电器X410常闭接点闭合，将位移寄存器的位移输入直接接入输入端。

当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限位开关，输入点X402和X404接通，Y435接通，原点指示灯亮。

① 按下起动按钮，M120接通并自保，移位器数据输入端接通，M100置“1”，Y430接通，下降电磁阀得电，机械手下降。

② 下降到底碰到下限位开关时，输入继电器X401接通，Y430断开，下降停止，同时产生移位信号，将M100的“1”态移到M101。M101的常开接点将Y431接通，夹紧电磁阀的电，机械手夹紧工件，T450开始计时。同时，M101的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开，使M100置“0”。

③T450延3s后，其常开接点闭合，产生移位信号，将M102置“1”，M101置“0”。M102的常开接点将Y432接通，上升电磁阀得电，机械手上升。同时，M102的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。

④上升到顶碰到上限位开关时，输入继电器X402接通，Y432断开，上升停止，同时产生移位信号，将M103置“1”，M102置“0”，M103的常开接点将Y433接通，右移电磁阀得电，机械手右移。同时，M103的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。

⑤ 右移到位碰到右限位开关时，输入继电器X402接通，Y432断开，右移停止，同时产生移位信号，将M104置“1”，M103置“0”。M104的常开接点闭合，若此时右工作台无工件，则光电开关因露光而导通，其常开接点使输入继电器X405接通，Y430再次接通，机械手下降。同时，M104的常闭接点将移位寄存器数据输入端断开。若右工作台有工件，则光电开关因遮光面断开，X405断开，Y430不能接通，机械手暂停等待。

3.2设计小结

机械手采用PLC控制技术后，操控简便，系统线路简单，系统运行稳定，大大提高了系统的自动化程度，提高了控制系统的可靠性，同时还能根据不同用户的需求对其功能进行扩展，提高了工作效率及检测准确性。

参考文献

[1]李壮云.液压元件与系统.北京：机械工业出版社，2005.

[2]张玉芝.PLC在机械手控制系统中的应用[J].山东纺织经济，2005

[3]范金玲.基于PLC的气动机械手控制系统设计[J].液压与气动，2010

[4]李怀智.试析PLC自动化控制系统的优化设计[J].中国新技术新产品，2011