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 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 X015 X016
所接输入端口 启动按钮 停止按钮 手动/自动切换开关 到达加工位置 下限位开关 上限位开关 传送带A限位开关 工作台1限位开关 工作台2限位开关 传送带B限位开关
下降按钮 上升按钮 右行按钮 左行按钮 松、紧按钮
PLC输出端口
Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y010 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 Y016 —
所接输出端口 传送带A 下降线圈 夹紧线圈 上升线圈 右行线圈 传送带B 左行线圈 数码管a段 数码管b段 数码管c段 数码管d段 数码管e段 数码管f段 数码管g段
—
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。
启动停止手动/自动加工位置下限位上限位传送带A工作台1工作台2传送带B下降上升右行左行SB0SB1SB2SQ7SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SB3SB4SB5SB6X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15图2 硬件接线图 COM1COM2Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y10Y11Y12Y13FUKM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7FR~220V传送带A下降夹紧上升右行传送带B左行FX2N—32MRabcd
机械手臂搬运加工流程控制设计 (1)
