基于S7-200的搬运机械手的控制系统设计

黄培（江苏建筑职业技术学院机电工程学院　徐州　221116）



基于S7-200的搬运机械手的控制系统设计

黄培
（江苏建筑职业技术学院机电工程学院徐州221116）

摘要设计了一种基于西门子S7-200系列的CPU 226可编程控制器（PLC）的机械手。机械手的运动包括伸缩运动，上下运动，旋转运动及工件的夹紧和放松八个动作过程。为满足生产要求，机械手的工作方式分为单操作、步进操作、单周期操作和连续操作4种。在实际生产过程中利用上述操作完成了两个工作台之间的工件搬运，具有稳定性强、精度高、小型化的优点。

关键词S7-200 CPU226搬运机械手气动

一、引言

气动机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究气动机械手具有最广泛的实际意义和应用前景［1］。本文设计了一种基于西门子S7-200系列的CPU 226可编程控制器（PLC）的机械手。该机械手的运动包括伸缩运动，上下运动，旋转运动及工件的夹紧和放松八个动作过程。为满足生产要求，机械手的工作方式分为单操作、步进操作、单周期操作和连续操作4种。该机械手具有稳定性强、精度高、小型化的优点。

二、机械手的整体设计

1、机械手的控制过程

如图1机械手动作示意图，该机械手可用来将工件从左工作台搬到右工作台，其动作过程分为10工步，即从原位开始顺序经过10个动作后完成一个周期，并返回原位。该机械手能够抓取的工件质量m为10 kg，搬运物料过程中垂直方向加速度和水平方向加速度均为0.3g（g为重力加速度），平面转动的回转半径r为0.5 m，转动角速度ω 为3.5 rad /s，角加速度β为2.1 rad/，转动角度为180。

2、气动部分设计

机械手的气动原理，如图2机械手气动原理图。

三、系统硬件设计

1、机械手的硬件电路设计

该控制系统的原理，如图3控制系统原理图。S7-200经过输入口获取输入量，S7-200经过对输入量进行处理，输出进行控制。本此设计中的，直接被控对象是继电器，通过继电器的动作再对电磁阀的进行控制然后通过电磁阀控制气缸的运动。为了进行精确控制，因而本例中使用了闭环控制系统，位置传感器获取位置量，并将获取的值经过I/O接线端子送到S7-200的输入口，进行反馈控制，从而提高系统的精度［2］。

2、可编程控制器操作面板设计

如图4操作面板布置图，其中它包括原位指示、手动开关和工作方式选择，而手动选择方式包括夹紧/放松、顺旋/逆旋、伸/缩、上/下八个动作；工作方式又分为手动和自动其中自动工作方式有包括：步进操作、单周期操作、连续操作方式。

接通I1.1是单操作方式，按照手动开关选择的位置，用启动/停止按钮选择手动操作。如在方式下选择上升/下降运动时，按下启动按钮，机械手上升；按下止按钮，机械手下降，其它动作的控制类似。这种方式一般维修时使用。

接通I1.2是步进操作方式，机械手在原点时，每按下一次启动按钮机械手执行一次运动，按下停止按钮时机械手恢复到原位。

接通I1.3是单周期操作方式，机械手在原点时，按下启动按钮，自动操作一个周期，按下停止按钮机械手会停止动作，再次按下启动按钮可以继续执行当前没有执行完的动作。

接通I1.4是连续操作方式，机械手在原点时，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮时机械手完成此周期动作后自动回到原点不再启动。

原位指示，当机械手位于原位时此时原位指示灯亮起。

启动，用于控制机械手的启动。

停止，按下停止按钮在不同的运行模式下有不同的作用。

急停，按下急停按钮机械手能够使机械手在当前位置停止动作，松开急停按钮机后械手会继续执行未执行完的动作。

四、控制系统软件设计

由于控制系统工作方式较多，所以采用模块式程序结构。机械手的4种操作方式可分为手动和自动两种，自动即为步进、单周期和连续［3］。手动程序和自动程序可分别编写成相对独立的子程序模块，通过调用指令进行功能选择。当工作方式选择单操作时I1.1接通，执行手动工作程序；当工作方式选择开关选择自动方式（步进、单周期和连续）时，I1.2、I1.3、I1.4分别接通执行自动程序控制。

手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统来设计。为了保持系统的安全运行，必须设置一些必要的联锁保护如机械手只有处于上限位置（I0.2 = 1）时，才允许伸缩臂和左右旋；机械手的夹紧也设置了机械联锁，只有机械手处于下限位置（I0.3 = 1）时，才能进行夹紧和放松动作。

机械手的自动操作属于顺序控制，对于顺序控制可用多种方法进行编程，用移位寄存器很容易实现这种控制功能，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定［4］。机械手夹紧和放松动作的控制原则，可以采用压力检测、位置检测或按照时间的原则进行控制，本实例用定时器T37控制夹紧时间，T38控制放松时间。

自动操作程序中包含了连续、单周期或步进运动，程序的执行取决于工作方式择开关［5］。当选择连续方式时，I1.4使M30.0置“1”当机械手回到原位时，移位寄存器复位即M1.0为“1”又获得一个移位信号，机械手周而复始地执行各步动作；直到按过停止按钮后，I0.1 0使M30.0置“0”机械手完成当前一个运动周期后停到原位。当选择单周期操作方式时，I1.3使M30.0置“0”当机械手在原点时，每按一次启动按钮，机械手自动执行一个周期的动作后停止在原位。当选择步进操作方式时，I1.2使M30.0置“1”每按一次启动按钮I0.0才能产生一个移位信号，机械手按动作顺序完成一步。

机械手的运动主要包括上升、下降、夹紧、放松、左旋、右旋、伸臂、缩臂，在控制程序中，M1.0控制原位显示，M1.1、M1.6分别控制左右下降，M1.2控制夹紧，M1.7控制放松，M1.3、M2.0分别控制左右上升，M1.4、M2.2分别控制左旋、右旋运动，M1.5、M2.1分别控制伸臂、缩臂运动。

五、结语

本文设计的基于S7-200系列的CPU 226机械手，通过PLC的控制来完成两个工作台之间的工件搬运，机械手的运动包括伸缩运动，上下运动，旋转运动及工件的夹紧和放松八个动作过程。本系统和传统的系统相比，具有实时、精确、方便、可靠等优点。

参考文献

［1］左希庆，吴国强.杯装奶茶装箱专用气动机械手的设计［J］.食品工业.2013（06）：12-14.

［2］包欢欢.气动机械手回转臂结构设计［J］.科技创新与应用.2013（28）：25-28.

［3］陈向伟，韩青，张学进.飞灰测碳在线执行机构的气动机械手设计及仿真［J］.液压与气动.2012（11）：45-47.

［4］王俊洲，张晓娟.浅谈气动机械手在教学过程中的应用［J］.企业技术开发.2012（31）：51-54.

［5］杨振球，易孟林.高精度气动机械手的研发及其应用［J］.液压与气动.2006（02）：19-22.

Design of Control System for Handling Manipulator Based on S7-200

Huang Pei
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology Xuzhou 221116）

AbstractDesign a based on Siemens S7-200 CPU 226 can be programmable controller（PLC）manipulator.The movement of the manipulator comprises telescopic movement，movement，rotation and workpiece clamping and relax eight action process.In order to meet the requirements of production，mechanical hand divided into single operation，step-by-step operation，single cycle operation and continuous operation of four.In the actual production process using the operation completed two workbench between workpiece handling，with strong stability，high precision，miniaturization of the advantages.

KeywordsS7-200 CPU226 Pneumatic manipulator Pneumatic

中图分类号TP216

文献标识码A

文章编号160513-7275

作者简介

黄培（1981～），性别：男，江苏徐州人，2005年毕业于西安科技大学大学机械电子专业，获硕士学位，讲师，现为江苏建筑职业技术学院教师；主要从事电气自动化与控制系统的教学与研究。