摘

　要

　机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。因此，研究机械手具有现实意义。

　基于 PLC 机械手臂搬运控制系统的设计工作主要包括：在充分理解任务书的要求之后，进行系统硬件配置，PLC 选型，绘制主电路图以及控制接线图；再进行控制系统的软件继续设计；为了便于仿真也对系统的上位机组态监控系统进行设计；最后进行仿真联合调试。仿真结果基本符合要求。

　系统可以实现机械手臂搬运过程的各个工况，对加工完成的工件进行计数，还能手动进行调试。由于 PLC 具有可靠性、易操作性、灵活性等优点，因此，控制系统与传统人力搬运相比，大大提高了工作效率，系统调试方便、成本低、易操作、可靠性高，有很强的实用价值。

　关键词：机械手臂；电气控制技术；PLC

　目

　录

　1

　引言

　机械手臂搬运控制系统设计的目的

　通过对机械手臂搬运控制系统的设计，可以使同学们了解机械手在我国的应用邻域、发展历史和应用前景，通过同学们自己动手设计，可以更深刻的了解一般机械手的工作方式、工艺过程以及操作步骤。更重要的是让同学们运用已学到的知识，来设计一个基于 PLC 的机械手臂搬运控制系统，引导同学们将理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展；同时掌握一般生产电气控制系统的设计方法以及生产电气控制系统的施工设计、安装与调试方法；培养同学们查阅图书资料、工具书的能力；通过这样的实际训练，为后续专业课的学习、毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。

　机械手臂搬运控制系统的设计内容和要求

　设计内容有如下几点：

　（1）设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；

　（2）系统有启动、停止功能；

　（3）运用功能指令进行 PLC 程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；

　（4）程序结构与控制功能自行创新设计；

　（5）进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。

　系统的控制要求如下：

　（1）有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带 A 送到加工位置，然后由机械手臂将加工物送至工作台 1 的位置进行第一步骤加工。当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹起再送至工作台 2 进行第二步骤加工；当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带 B 送走，然后由 7 段数码管显示加工完成的数量。

　（2）假设使用气压机械手臂，一开始手臂先下降，碰到下限开关开始做夹起动作，然后开始上升碰到上限开关后，手臂开始往右，当碰到第一工作站的极限开关时，机械手臂下降将工作物放置工作台 l 然后上升等待机械对工作物加工；当工作物第一加工步骤完成时，机械手臂再依进行下降一夹住一上升一往右一下降一释放等流程，将工件放置工作台 2 上进行第二加工步骤。

　（3）当第二加工步骤完成时，机械手再依进行下降、夹住、上升、往右、下降、释放等流程，由传送带 B 送出，并由 7 段数码管显示加工完成的数次。

　2

　机械手臂搬运控制系统硬件设计

　机械手臂搬运控制系统硬件配置及组成原理

　机械手臂搬运控制系统的组成原理图如图 1 所示，机械手的升降和左右移动分别使用双线圈的电磁阀，在某方向的驱动线圈失电时保持原位，必须驱动反方向的线圈才能反向运动。机械手的夹具使用单线圈电磁阀，线圈得电时夹紧工件，断电时松开工件。有关到位信号分别是：下限位开关 SQ1，上限位开关SQ2，A 位置限位开关 SQ3，工作台 1 限位开关 SQ4，工作台 2 限位开关 SQ5，B位置限位开关 SQ6。七段数码管用来显示加工的工件数。

　图 1

　组成原理图

　机械手臂搬运控制系统输入输出点分析

　对机械手臂搬运控制系统的工况分析如下：

　（1）系统必须要有启动和停止的功能，故需要一个启动按钮 SB0（X000），一个停止按钮 SB1(X001)；系统能自动工作和手动调试，故需要一个手动/自动切换开关 SB2（X002）；

　（2）在自动模式中，先由传送带 A 将工件送到加工位置，因此需要一个输出点（Y000）启动传送带 A，一个传感应元件 SQ7（X003）感应工件到达加工位置；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈 KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈 KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台 1 限位开关 SQ4（X007）停止右行；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈KM3（Y002）；接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2 停止上升；等待工作台 1 加工完，假定加工完成需要时间 2 分钟，2 分钟之后；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈 KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈 KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台 2 限位开关 SQ5（X010）停止右行；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈 KM3（Y002）；接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2 停止上升；等待工

　作台 2 加工完，假定加工完成需要时间 2 分钟，2 分钟之后；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；接通夹紧线圈KM3（Y002）机械手夹紧；接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；接通右行线圈 KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带 B 限位开关 SQ6（X011）停止右行；接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；断开夹紧线圈 KM3（Y002）；接通传送带启动线圈 KM6（Y005）将加工完的工件送走，同时接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；接通左行线圈KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带 A 限位开关 SQ3（X006）停止左行一个工作周期完成。七段数码管用来统计加工的工件数，需要七个输出点即（Y010~Y016）。

　（3）手动模式中需要控制下降按钮 SB3（X012）、上升按钮 SB4（X013）、右行按钮 SB5（X014）、左行按钮 SB6（X015）、松紧按钮 SB7（X016）。

　通过以上分析可知，需要 PLC 输入点 14 个（X000~X016），PLC 输出点 14 个（Y000~Y006，Y010~Y016）。

　 PLC 选型

　PLC 是 PLC 控制系统的核心部件，正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。国内外生产的 PLC 种类很多，在选用时应考虑以下几个方面：

　（1）规模要适当：首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一定的余地，还应确定用户程序存储器的容量。

　（2）功能要相当，结构要合理。

　（3）输入、输出功能及负载能力的选择：选择何种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。

　（4）使用环境条件：在选择 PLC 时，要考虑使用环境条件是否符合规定。

　本控制系统的输入信号有 15 个，输出信号有 14 个，结合以上的考虑因素决定选用三菱的 FX2n-32MR，I/O 点数各位 16 点，可以满足控制要求，且留有一定的裕量。

　 机械手臂搬运控制系统变量定义及 I/O 地址分配

　系统变量定义及 I/O 地址分配如表 1 所示。

　表 1

　系统变量定义及 I/O 地址分配 PLC 输入点

　所接输入端口

　PLC 输出端口

　所接输出端口

　X000

　启动按钮

　Y000

　传送带 A

　X001

　停止按钮

　Y001

　下降线圈

　X002

　手动/自动切换开关

　Y002

　夹紧线圈

　X003

　到达加工位置

　Y003

　上升线圈

　X004

　下限位开关

　Y004

　右行线圈

　X005

　上限位开关

　Y005

　传送带 B

　X006

　传送带 A 限位开关

　Y006

　左行线圈

　X007

　工作台 1 限位开关

　Y010

　数码管 a 段

　X010

　工作台 2 限位开关

　Y011

　数码管 b 段

　X011

　传送带 B 限位开关

　Y012

　数码管 c 段

　X012

　下降按钮

　Y013

　数码管 d 段

　X013

　上升按钮

　Y014

　数码管 e 段

　X014

　右行按钮

　Y015

　数码管 f 段

　X015

　左行按钮

　Y016

　数码管 g 段

　X016

　松、紧按钮

　—

　—

　机械手臂搬运控制系统硬件接线图设计

　由工况分析可设计出如图 2 所示的硬件接线图。

　图 2

　硬件接线图

　COM1Y6Y10Y11Y12Y13Y15Y16COMNLSB0FUFUKM1FRRaKM5SB1SQ4SQ5bcdefg6kΩ~ 220V~ 220VFX 2N —32MRY14Y5Y4Y3Y2Y1Y0COM2SB2SB7SB6SB5SB4SB3SQ7SQ1SQ2SQ3SQ6X0X1X2X3X4X5X6X7X13X10X11X12X14X15X16KM6KM7KM4KM3KM2启动停止手动/自动加工位置下限位下降上升右行左行松紧上限位传送带A工作台1工作台2传送带B左行传送带B右行上升夹紧下降传送带A

　3

　机械手臂搬运控制系统软件设计

　编程语言的选择

　常见的 PLC 编程语言有以下几种：

　（1）梯形图：梯形图语言具有形象、直观、实用的优点，它是在继电接触器逻辑控制的基础上演变而来，易学易懂。

　（2）指令表：它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令一定的顺序排列而成。

　（3）顺序功能图：常用来编制顺序控制类程序。包含步、动作、转换三个要素。可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。

　（4）功能块图：一种类似数字逻辑电路的编程语言。

　（5）结构文体：用一些高级编程语言来编程的方式称为结构文体。

　对于机械手臂搬运控制系统，其控制过程是按顺序一步一步来完成，只有在上一个步骤完成了，才能进入下一个工步。因此决定采用顺序功能图来编写机械手臂搬运控制系统。

　机械手臂搬运控制系统程序流程图设计

　由工况分析可得自动模式的程序流程图如图 3 所示。当传送带 A 将工件送到加工位置时，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件开始上升，碰到上

　限位开关时，开始右移，到达工作台 1 时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台 1 加工完成。工作台 1 加工完成之后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达工作台 2 时，机械手下降，碰到下限位开关时，松开工件，上升到上限位等待工作台 2 加工完成。工作台 2 加工完成后，机械手下降，碰到下限位开关时，夹紧工件又开始上升，碰到上限位开关时，开始右移，到达传送带 B 时，机械手开始下降，碰到下限位开关时，松开工件。启动传送带 B,将工件送走，同时机械手也开始上升，碰到上限位开关时，开始左移，直到碰到传送带 A 位置时，停止左移，关传送带 B。一个工作周期结束。

　图 3

　自动模式流程图

　PLC 控制程序设计及分析

　手动模式

　 当系统发生故障时，需要手动进行调试，寻找故障点。手动按钮 X12~X16分别控制下降、上升、右移、左移、加紧和放松各个动作。梯形图如图 4 所示。

　图 4

　手动模式梯形图

　自动模式

　 按钮 SB2（X002）为手动/自动选择开关，当 SB2 没有接通时为自动模式，程序进入 S0 状态，等待启动按钮 SB0（X000)接通。当 SB0 接通时，进入 S20 状态启动传送带 A(Y000)将工件送到加工位置，当传感应元件 SQ7（X003）感应工件到达加工位置；进入 S21 状态接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下

　限位开关 SQ1（X004），停止下降；进入 S22 状态置位夹紧线圈 KM3（Y002）机械手夹紧；定时 2 秒后，进入 S23 状态，接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；进入 S24 状态，接通右行线圈KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台 1 限位开关 SQ4（X007）停止右行；进入S25 状态，接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；进入 S26 状态，复位夹紧线圈 KM3（Y002）；定时 2 秒后，进入 S27状态，接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2 停止上升；进入 S28 状态，等待工作台 1 加工完，假定加工完成需要时间 2 分钟，2 分钟之后；进入 S29 状态，接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关SQ1（X004），停止下降；进入 S30 状态，置位夹紧线圈 KM3（Y002）机械手夹紧；定时 2 秒后，进入 S31 状态，接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；进入 S32 状态，接通右行线圈 KM5（Y004）机械手右行，碰到工作台 2 限位开关 SQ5（X010）停止右行；进入 S33 状态，接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；进入 S34 状态，复位夹紧线圈 KM3（Y002）；定时 2 秒后，进入 S35 状态，接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；进入 S36 状态，等待工作台 2 加工完，假定加工完成需要时间 2 分钟，2 分钟之后；进入 S37 状态，接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；进入 S38 状态，置位夹紧线圈 KM3（Y002）机械手夹紧；定时 2 秒后，进入 S39 状态，接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；进入 S40 状态，接通右行线圈 KM5（Y004）机械手右行，碰到传送带 B 限位开关 SQ6（X011）停止右行；进入 S41 状态，接通下降线圈 KM2（Y001）机械手下降，碰到下限位开关 SQ1（X004），停止下降；

　进入 S42 状态，复位夹紧线圈 KM3（Y002）；定时 2 秒后，进入 S43 状态，置位传送带启动线圈 KM6（Y005）将加工完的工件送走，工件计数器加一，同时接着接通上升线圈 KM4（Y003）机械手上升，碰到上限位开关 SQ2（X005）停止上升；进入 S44 状态，接通左行线圈 KM7（Y006）机械手左行，碰到传送带 A 限位开关SQ3（X006）停止左行，进入 S45 状态，复位传送带 B 的工作，定时 2 秒之后，跳转到 S0 状态，一个工作周期完成。梯形图如图 5 所示。

　图 5

　自动模式梯形图

　4

　机械手臂搬运控制系...

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