機(jī)械手模型的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：利用S7-300系列PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的主回路和控制回路工作原理以及接線圖。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手 PLC S7-300 主回路 控制回路

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（c）-0069-02

機(jī)械手是隨著工業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化而發(fā)展起來(lái)的一種裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)迅速、可靠性高、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，目前已經(jīng)在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。應(yīng)用PLC控制機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工序動(dòng)作，不僅可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且對(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低成本，有著十分重要的意義[2]。

本文中，我們提出了一種簡(jiǎn)單、可靠的基于S7-300系列的PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了物件的取放、上下、左右、旋轉(zhuǎn)過(guò)程。PLC簡(jiǎn)單易學(xué)，相對(duì)于C語(yǔ)言易于掌握，對(duì)技術(shù)人員的要求也一般。本文介紹的基于德國(guó)西門子S7-300系列PLC設(shè)計(jì)的機(jī)械手控制系統(tǒng)。

1 機(jī)械手的工作過(guò)程

開(kāi)始運(yùn)行后，機(jī)械手如果不在初始位置上，單相異步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)（橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng)），歸位后首先橫軸電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)一段時(shí)間，豎軸電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回，地盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)地盤旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、地盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周動(dòng)作。

2 主回路工作原理及接線圖

本文中總共用到了四臺(tái)電機(jī)，他們分別完成機(jī)械手橫軸的左右移動(dòng)，機(jī)械手豎軸的上下移動(dòng)，機(jī)械手爪的180度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及機(jī)械手立柱的270度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在此都選用單相交流異步電動(dòng)機(jī)。并且由于機(jī)械手無(wú)論是橫軸的運(yùn)動(dòng)，豎軸的運(yùn)動(dòng)，手爪的旋轉(zhuǎn)以及立柱的旋轉(zhuǎn)都用到了往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此每臺(tái)電機(jī)都能很好的實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。

電機(jī)1控制機(jī)械手的左/右移動(dòng)；電機(jī)2控制機(jī)械手的上/下移動(dòng)；電機(jī)3控制手爪的旋轉(zhuǎn)；電機(jī)4控制機(jī)械手立柱的旋轉(zhuǎn)。

按下啟動(dòng)按鈕，第一步，按下右移動(dòng)按鈕，控制機(jī)械手右運(yùn)動(dòng)的電機(jī)1的主觸點(diǎn)KM1得電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置后，碰到行程開(kāi)關(guān)，KM1線圈失電，主觸點(diǎn)KM1斷開(kāi)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。第二步，按下機(jī)械手手爪旋轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)3主觸點(diǎn)KM5得電，手爪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置后，碰到行程開(kāi)關(guān)，KM5線圈失電，主觸點(diǎn)失電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第三步，按下電磁閥控制按鈕，電磁閥控制氣缸動(dòng)作，手爪張開(kāi)。第四步，按下手動(dòng)下降按鈕，電機(jī)2主觸點(diǎn)KM3得電，機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置后，KM3線圈失電，從而主觸點(diǎn)失電，機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)。第五步，按下電磁閥控制按鈕，電磁閥控制氣缸動(dòng)作，手爪夾緊。第六步，按下手動(dòng)上升按鈕，電機(jī)2主觸點(diǎn)KM4得電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置后，碰到行程開(kāi)關(guān)，KM4線圈失電，電機(jī)主觸點(diǎn)失電，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。第七步，按下立柱旋轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)4主觸點(diǎn)KM7得電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，立柱旋轉(zhuǎn)到指定位置后，碰到行程開(kāi)關(guān)，KM7線圈失電，電機(jī)主觸點(diǎn)失電，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。第八步，按下手動(dòng)左移按鈕，電機(jī)1主觸點(diǎn)KM2得電，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置后，碰到行程開(kāi)關(guān)，KM2線圈失電，電機(jī)主觸點(diǎn)失電，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。第九步，按下返回原點(diǎn)按鈕，機(jī)械手返回原點(diǎn)。如圖1所示。

3 控制回路工作原理及接線圖

3.1 控制回路工作原理

由于機(jī)械手的上升/下降等運(yùn)動(dòng)有必要的位置限制，利用行程開(kāi)關(guān)可以控制機(jī)械設(shè)備的位置及其可以起到限位保護(hù)的作用，因此在本題中將會(huì)用到大量的行程開(kāi)關(guān)。如機(jī)械手的上升/下降限位開(kāi)關(guān)；機(jī)械手的左移/右移限位開(kāi)關(guān)；機(jī)械手的手爪的90度旋轉(zhuǎn)、180度旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)；機(jī)械手立柱的90度旋轉(zhuǎn)、180度旋轉(zhuǎn)、270度旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)。綜上所述，行程開(kāi)關(guān)一共需要9個(gè)，相應(yīng)的輸入點(diǎn)數(shù)就是9個(gè)。

機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種。控制按鈕的設(shè)計(jì)就是為了滿足機(jī)械手手動(dòng)操作和機(jī)械手控制系統(tǒng)的調(diào)試而設(shè)計(jì)。例如機(jī)械手的上升/下降；機(jī)械手的左移/右移；機(jī)械手的夾緊氣動(dòng)電磁閥的輸入；光電傳感器的輸入端；手爪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；還有一個(gè)單刀四擲開(kāi)關(guān)；停止/啟動(dòng)按鈕；機(jī)械手的返回原點(diǎn)按鈕。控制按鈕和一些其他的輸入量總共需要17個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)。綜上所述，總的輸入點(diǎn)數(shù)為26個(gè)。

輸入端進(jìn)行控制作用，輸出端進(jìn)行信號(hào)和動(dòng)作的輸出。例如，當(dāng)機(jī)械手處于手動(dòng)操作方式下，當(dāng)按下右移按鈕，相應(yīng)的機(jī)械手應(yīng)該向右移動(dòng)，即為輸出。輸出有機(jī)械手的左移/右移；機(jī)械手的上升/下降；手爪的正向轉(zhuǎn)動(dòng)/反向轉(zhuǎn)動(dòng)；立柱的正向轉(zhuǎn)動(dòng)/反向轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)械手手爪的夾緊動(dòng)作；原點(diǎn)指示燈；有工件指示燈，共計(jì)11個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)。

我們?cè)诖诉x擇西門子的S7-300系列。S7-300PLC功能強(qiáng)大、速度快、擴(kuò)展靈活，具有緊湊的、無(wú)槽位限制的標(biāo)準(zhǔn)模板式結(jié)構(gòu)。電源模板PS307輸出DC 24V[3]。

3.2 數(shù)字量輸入模塊與數(shù)字量輸出模塊

在本文中，我們已經(jīng)了解到輸入總點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)，為直流24 V。所以在S7-300的信號(hào)模板中我們選擇數(shù)字輸入量模塊SM321：DI 32*24V DC；我們輸出點(diǎn)數(shù)為11點(diǎn)，選用數(shù)字輸出量模塊為SM322：DI 16*24V DC。如圖2、如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)與控制研究中，本文介紹了一種PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)，對(duì)其主回路和控制回路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其工作可靠，靈活，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，各種工作方式可以自動(dòng)切換。

參考文獻(xiàn)

[1]王亮，李虹.PLC對(duì)機(jī)械手的定位控制[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（4）：135-137.

[2]周鴻杰，駱敏舟，李濤，等.基于PLC的工業(yè)取料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2010（3）：50-57.

[3]常曉玲，何大慶，姚永剛.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.