PLC控制气动机械手控制系统设计分析

机械手作为一种控制对象，可以替代工人完成多种工作。现代化的生产车间，多配有机械手。它可以提高生产过程中的自动化程度，进而提高生产效率。教学型机械手是针对教学所需研制的典型机器人设备，有两个方面的要求。首先在硬件方面要求能让学生自己组装该设备，能正确连接电路与气路，所涉及的知识面要适合工科学生；其次在软件方面要能分模块，分块学习更容易接受，学后能按照要求编写控制程序。本文在提高教学效果为目的的前提下，以能够实现一定工序的搬运机械手模型为研究对象，设计其控制系统。
1. 机械手工作过程
机械手的动作过程如图1所示，用来将工件从一个工作台搬到另一个工作台。
机械手的全部动作由气缸驱动，根据使用场合不同控制方式一般分为手动操作与自动操作两种。手动操作主要为安装调试或出现故障需要维修时使用，实现对各执行动作单独用按钮进行操作，通常是设计过程中必须考虑的控制方案。而自动操作是以PLC控制器为基体，按预先编写的程序实现自动控制，自动操作又分为连续自动操作和单周期自动操作。以单周期自
动操作为例，机械手的动作循环依次是：从原点前伸——下降——夹紧——上升——右转——下降——放松——上升——左转——缩回至原点10个动作。 其中上升、下降、前伸、缩回、左转和右转等8个动作，每个动作末都会触发各自的限位开关，由限位开关去控制电磁阀通断以顺利执行下一个动作。而放松和夹紧两个动作则是通过设置时间延时实现和下一个动作的顺利衔接。其具体动作过程如图2所示。
2. 输入输出端子点数
机械手的控制系统采用了西门子公司生产的整体式S7-200CPU226式PLC。动作②、④和动作⑥、⑧不会同时出现，故只占用可编程控制器的两个输入点而不是4个输入点。在动作②执行前需先判断左工作台上有无工件，故用于检测有无工件的光电开关需占用PLC 一个输入点。机械手左右转动时的左右限位开关各占用PLC 一个输入点。启动与停止按钮各占用PLC 一个输入点。另外，因为存在3种工作方式，故还需在PLC 中配置3个用于工作方式选择的输入点。在手动控制方式中，因为存在4种不同的加载方式——前与后、左与右、上与下、夹与松，故需在PLC 中配置4个用于加载方式选择的输入点。而控制器需要输出用于控制伸出、缩回、下降、上升、夹紧、左转、右转和原点指示灯状态的指令，故此控制系统共使用了14个输入量和8个输出量。
3. 整体程序设计
机械手整体程序结构如图3所示。若选择手动操作工作方式，10.7断开，接着执行手动操作程序。手动操作程序可以独立于自动操作程序，可以另行设计。在单周期工作方式和连续操作方式下，可以执行自动操作程序。在使用自动操作方式时，中间继电器M1.0接通。手动操作方式和自动操作方式，都用同样的输出继电器。
系统调试时将各I/O端子和实际控制系统的按钮、所需控制设备正确连接，完成硬件安装。机械手PLC可编程控制器编程软件采用STEP7-Micro/Win V4.0，整体程序和各个子程序在编程软件中编辑，机械手正常工作时程序存在存储卡中，若需要修改程序，先将PLC设定在STOP状态，运行编程软件，打开机械手的控制程序，即可在线调试，也可用编程器进行模拟，整个过程简单直观。

图3 整体程序结构
PLC是面向用户专为在工业环境下应用而设计的专用计算机，可以使用户获得高性能、高可靠性的同时享受高质量和低成本。本文通过对搬运机械手应用场合及工作过程的分析，总结出使用PLC 完成系统控制任务的流程。即首先明确机械手的动作要求及工作循环，然后针对其不同的操作方式进行操作面板的布置和I/O端子的地址分配，最后针对其不同的工作方式在编程软件中设计能实现具体功能的整体程序和各子程序。详尽的设计过程可为从事工业控制的工程人员提供一定的参考。