Control system design of manipulator based on PLC

GUAN Ming1, ZHOU Xi-lun2, MA Li-jing1, SONG Wei1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

機(jī)械手是能夠按照給定程序、軌跡與要求模仿人手的部分動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)化裝置，氣動(dòng)機(jī)械手則是用氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。應(yīng)用機(jī)械手的意義在于可以提高生產(chǎn)作業(yè)的自動(dòng)化水平及產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、低溫、粉塵、易燃易爆、有毒氣體及放射性等惡劣環(huán)境中代替人進(jìn)行正常工作，意義更為重大。因此，機(jī)械手在熱壓、鍛造、機(jī)械加工、飲料裝箱自動(dòng)線等各種自動(dòng)化作業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

機(jī)械手采用氣動(dòng)傳動(dòng)，由精度較高的氣動(dòng)元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度，由機(jī)身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動(dòng)作，可以方便的通過(guò)滑閥的中位機(jī)能調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的位置，完成對(duì)物件的移動(dòng)。機(jī)械臂用2個(gè)氣缸控制，即橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸。其控制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍、性能優(yōu)越的PLC，根據(jù)需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。

運(yùn)動(dòng)路線：升降臂下降——抓取工件——升降臂上升——伸縮臂右移——升降臂下降——卸載工件——升降臂上升——伸縮臂左移，完成一次物料的搬運(yùn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的基本組成

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該包括被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器、數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（包括硬件和軟件）。

2.2 電氣控制電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制面板設(shè)定要控制的氣缸的初始位置，S7-200通過(guò)控制面板的輸入來(lái)獲取相應(yīng)初始值，S7-200對(duì)控制面板上的輸入量進(jìn)行響應(yīng)，然后進(jìn)行輸出并執(zhí)行相應(yīng)控制。在本設(shè)計(jì)中的，被控對(duì)象是氣壓控制閥，通過(guò)控制閥的動(dòng)作再對(duì)執(zhí)行元件（氣缸）的位置進(jìn)行控制。為了達(dá)到控制的準(zhǔn)確，因此在設(shè)計(jì)中采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)，光電編碼器（位置傳感器）獲取位置量，并將獲取的模擬值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)總線送到S7-200的輸入口，進(jìn)行反饋控制，從而提高系統(tǒng)的精度。

3 模擬實(shí)驗(yàn)面板圖

圖1中的YV1、YV2、YV3、YV4、YV5、HL分別接主機(jī)的輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5；SB1、SB2分別接主機(jī)的輸入點(diǎn)I0.0、I0.5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分別接主機(jī)的輸入點(diǎn)I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。圖1中的啟動(dòng)、停止用動(dòng)斷按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，限位開(kāi)關(guān)用鈕子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬，電磁閥的原位指示燈用發(fā)光二極管來(lái)模擬。

表1 機(jī)械手PLC的I/O地址分配表

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)面板圖

圖2 PLC外部接線圖

4 工作過(guò)程分析

當(dāng)機(jī)械手位于初始位置時(shí)，上、左限位開(kāi)關(guān)均處于“1”狀態(tài)（接通），移位寄存器數(shù)據(jù)接通，讓寄存器M10.0處于“1”狀態(tài)，這時(shí)Q0.5接通，原位指示燈亮。

按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，I0.0處于“1”狀態(tài)，這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，M10.0的“1”狀態(tài)加載到M10.1，繼電器Q0.0（下降閥）接通，下降動(dòng)作執(zhí)行，這時(shí)因?yàn)樯舷尬婚_(kāi)關(guān)I0.2斷開(kāi)，M10.0處于“0”狀態(tài)（斷開(kāi)），原位指示燈滅。

當(dāng)機(jī)械手到達(dá)下限位時(shí)，下限位開(kāi)關(guān)I0.1處于“1”狀態(tài)（接通），這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，M10.0的“0”狀態(tài)加載到M10.1，繼電器Q0.0斷開(kāi)，這時(shí)機(jī)械手停止下降，M10.1的“1”狀態(tài)加載到M10.2，M20.0置“1”，M20.0閉合，繼電器Q0.1（夾緊閥）接通，夾緊動(dòng)作得到執(zhí)行，這時(shí)定時(shí)器啟動(dòng)，延時(shí)2秒使工作得到夾緊。

當(dāng)確認(rèn)機(jī)械手在夾緊工件后，定時(shí)器的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，使M10.3處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.2，繼電器Q0.2（上升閥）接通，這時(shí)I0.1是斷開(kāi)狀態(tài)，上升動(dòng)作得到執(zhí)行。由于是使用S指令，線圈M20.0仍然是原狀態(tài)，這時(shí)Q0.1依然是接通狀態(tài)，同時(shí)機(jī)械手繼續(xù)夾緊工件。

當(dāng)機(jī)械手到達(dá)上限位時(shí)，上限位開(kāi)關(guān)I0.2處于“1”狀態(tài)（接通），這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，“0”狀態(tài)加載到M10.3，Q0.2線圈斷開(kāi)，這時(shí)機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，使M10.4處于“1”狀態(tài)，I0.4斷開(kāi)，繼電器Q0.3（右移閥）接通，這時(shí)右移動(dòng)作執(zhí)行。

當(dāng)機(jī)械手達(dá)到右限位時(shí)，右限位開(kāi)關(guān)I0.3處于“1”狀態(tài)（接通），這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，使M10.5處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.4，繼電器Q0.0再次接通，下降動(dòng)作得到執(zhí)行。

當(dāng)機(jī)械手再次到達(dá)下限位時(shí)，I0.1接通，這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，使M10.6處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.5，同時(shí)Q0.0線圈斷開(kāi)，下降動(dòng)作停止，Reset指令使得M20.0復(fù)位，同時(shí)Q0.1線圈斷開(kāi)，機(jī)械手松開(kāi)工件；這時(shí)定時(shí)器啟動(dòng)，延時(shí)1.7秒，定時(shí)器的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，這時(shí)移位信號(hào)產(chǎn)生，使M10.7處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.6，Q0.2再次接通，I0.1斷開(kāi)，機(jī)械手又執(zhí)行上升動(dòng)作，當(dāng)運(yùn)行到上限位時(shí)，I0.2觸點(diǎn)接通，使M11.0處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M10.7，線圈Q0.2斷開(kāi)，這時(shí)機(jī)械手停止上升，線圈Q0.4接通，I0.3斷開(kāi)，機(jī)械手執(zhí)行左移運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)機(jī)械手到達(dá)左限位時(shí)，I0.4觸點(diǎn)再次接通，使M11.1處于“1”狀態(tài)，“0”狀態(tài)加載到M11.0，同時(shí)移位寄存器復(fù)位，線圈Q0.4斷開(kāi)，這時(shí)機(jī)械手回到初始位置，并且因?yàn)镮0.2、I0.4均是接通狀態(tài)，M10.0處于“1”狀態(tài)，至此系統(tǒng)完成一個(gè)工作循環(huán)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，“可編程程序控制器—傳感器—執(zhí)行元件”組成的典型控制系統(tǒng)占有重要的地位。當(dāng)安裝有組態(tài)王等軟件的計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，工作人員可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)到機(jī)械手的工作狀況，而不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察，畫面更直觀生動(dòng)。隨著國(guó)家綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，未來(lái)幾年內(nèi)，機(jī)電一體化的建設(shè)一定會(huì)迎來(lái)一次大發(fā)展。

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