摘要：本文介紹了西門子PLC與步進電機控制的氣動搬運機械手的結構、工作原理以及控制順序，通過分析氣動機械手的工藝流程，設計了基于西門子300的電氣控制系統，通過分配PLC的輸入/輸出接口，對步進電機的定位控制器進行控制。實驗結果表明，通過該系統控制的機械手系統輸出超調明顯減小，定位精度顯著提高。因此本系統具有控制簡單、運行可靠、定位準確等優點。

關鍵詞：PLC;氣動機械手;位置控制;步進電機

中途分類號：TP 9 文獻標識碼：B

0 引言

工業機械手按驅動方式可分為電機驅動、機構驅動、液壓驅動、氣壓驅動等。電機驅動機械手運動速度快，抓力大，但存在速度難以控制的不足；液壓驅動抓力較大，但速度慢；而氣壓則速度較快，抓力小。

機械手是工業生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業生產自動化，推動工業生產的進一步發展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環境條件下進行操作，更顯示其優越性，有著廣闊的發展前途。液壓機械手具有快速、高效等優點。該機械手采用液壓驅動，控制手臂的伸縮、手腕的回轉和手部的抓放運動，上下運動由電機控制。

機械手按其機構工作原理可分為平行機構、擺動機構、旋轉機構、多點式機構、關節式機構等，目前工業上使用的機械手多采用復合型機構。作者介紹了一款采用液壓驅動式的工業機械手，針對機械手伸、抓、縮、放四大動作分別對其進行液壓回路設計、模擬仿真 、PLC 動作控制、機電液一體化模擬實驗。

隨著機械手技術的發展,加上PLC控制技術及電機控制技術的應用，適用于工業自動化生產的通用機械手得到了廣泛的應用。由于氣動機械手結構簡單、控制方便、定位準確,因此在自動化生產線上得到了廣泛應用。本文將介紹一種采用PLC與步進電機控制的氣動搬運機械手。

1氣動機械手的工作原理

工業氣缸驅動式機械手結構示意圖如圖 1 所示，該結構的特點是采用氣動缸驅動，集平行機構與單邊擺動機構于一體。為了克服氣壓驅動的不足，快進過程采用差動回路，工作 過程采用同步回路與調壓回路。氣缸動作順序圖如圖2所示。

圖 1 機械手結構示意圖

1、2-氣缸，3-平行機構，4-鉸鏈，5-固定爪，6-活動爪

圖 2 氣缸動作順序圖

功能實現 ：

伸。缸 1、缸 2同 時向右運動，油路采用差動回路與同步回路；

抓。缸 1停止工作，缸2向右運動，回路采用調壓回路。

縮。與伸出動作相反。

放。與抓取動作相反。

在初始位置時，機械手張開一定角度，即缸 2的初始角度為0，氣缸1有一定的偏移角度。氣動機械手的氣動原理如圖3所示。

圖 3氣動機械手的氣動原理圖

該氣動機械手工作過程為:當工件推入存放料臺后,氣動機械手手臂前伸--前臂下降--氣動手指夾緊工件--前臂上升--手臂縮回--手臂右旋到位--手臂前伸--前臂下降--手爪松開將工件放入料口--前臂上升--手臂縮回--機械手左旋返回原位,等待下一個工件到位,然后重復上面的動作。

氣動機械手的左/右旋轉主要靠步進電機驅動實現,本系統選用了三相混合式步進電機及細分型步進電機驅動器作為機械手旋轉運動的驅動裝置和定位裝置。為了機械手定位需要,在機械手底座裝有電感傳感器作為機械手的基準傳感器,并在機械手左/右旋轉的極限位置裝有限位開關。

2 PLC控制器

PLC是控制系統的核心器件，它相當于人的大腦，控制我們一切的動作。它的結構一般是由中央處理器、電源部件，輸入、輸出部分構成。圖4為一般PLC的結構模塊圖。PLC的軟件簡單易學、使用維護方便；集電控、電傳、電儀于一體；可靠性高、抗干擾能力強；PLC網絡的性能價格比高，以至成為現代工業自動化三大支柱之首?，F在世界上比較出名的PLC公司有日本的三菱、松下，美國的A-B以及德國的西門子等，每一個公司的產品都有它的獨特之處。

該系統可編程控制器件采用的是西門子公司的300系列PLC，具體型號為315-2PN/DP（如圖3所示），315-2PN/DP性能參數及模塊參數如下表1所示：

表1 西門子315-2PN/DP及模塊性能參數

3 PLC動作控制與仿真

采用德國西門子S7-300編程操作面版進行PLC梯形圖編程。I0.0為電源開關，I0．1為缸 2行程開關，I0.4為缸1行程開關，I0.2為缸2限位開關，I0.3 為缸 1限位開關，M 0.0 、M 0.1為中間繼電器，QO.1、Q0.2為電磁閥YA1、YA2，Q0.3、Q0.4為電磁閥Y B1、YB2，Q0.5、Q0.6 為電磁閥YC1、YD2。當電源開關I0.0接通，中間繼電器M0.0自鎖，QO.1、Q0.3 同時得電，實現機械手同步伸動作；當固定爪接觸到物體，行程開關I0.4常閉觸點斷開，Q0.1失電，缸1停止，缸2繼續運動；當活動爪抓牢物體，行程開關I0.1常閉觸點斷開，常開觸點閉合，Q0.1、Q0.3失電，Q0.2、Q0.4、Q0.5、Q0.6 得電，缸1、缸2 同時縮回；當缸1到達指達初始位置，限位開關I0.3常閉觸點斷開，缸1停止，缸2 繼續運動放開物體；當缸2 到達指達初始位置，限位開關I0.2常閉觸點斷開，完成一個循環過程。梯 形圖中中間繼電器M0.0、M0.1實現互鎖。

按圖 3 液壓氣路在西門子液壓 PLC 控制實驗臺上完成液壓回路接線，采用STEP 7 對S7-300進行編程 ，實驗仿真結果如圖5所示。

A 氣缸1                                                             B氣缸2

圖 5仿真結果

4　結論

針對機械手伸 、抓 、縮 、放 四個動作分別對其進行了液壓回路設計 、仿真 、PLC 編程，采用PLC與氣缸控制的氣動搬運機械手原理簡單、性能可靠。并在西門子300系列型PLC控制液壓實驗臺上進行了模擬仿真；經實驗仿真證明，該機械手控制方便、定位準確。實際應用中可也根據需要修改機械手動作流程，具有很高的實用價值。

5　參考文獻

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