1、众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期基于 PLC 的气动机械手控制系统设计靳宏1，左右祥2（1.广东水利电力职业技术学院，广州 510925；2.中导光电设备股份有限公司，广东 肇庆 526238）气动机械手是广泛应用于现代工业生产中的执行机构。使用压缩空气作为传输介质，具有反应速度快、绿色无污染、低价高效率和稳定可靠等特点。气动机械手在工业生产应用中发挥着重要作用1。本设计中，气动机械手的控制系统以 S7-200SMART PLC 为核心控制器，可以使机械手完成上下、左右、伸缩和抓紧松开等动作，实现对工件物料的搬运。1
2、控制系统的硬件设计本设计中，气动机械手的结构主要由基座平台、升降系统、伸缩手臂和气动手指 4 部分组成。基座平台由摆动气缸和支撑平台构成，主要任务是支撑和左右转动机械手；由薄型气缸和提升机构构成的提升系统，完成在基座上做上下直线运动；由手臂伸缩气缸构成的伸缩手臂完成手臂的前后伸缩运动；由气动手指及其夹紧机构实现零件的夹紧或放松。气动机械手机械结构图如图 1 所示2。图1气动机械手机械结构图控制系统的核心控制器选用 S7-200 SMART200 ST40 DC/DC/DC PLC，利用磁性开关检测气缸活塞的运动到位情况，用光电开关作为物料有无的信号检测。PLC 编程控制电磁换向阀的阀芯位置，进
3、而可改摘要：气动机械手是工业领域重要的设备，机械手能够代替人手完成分拣、搬运及装卸等工作，在减轻工人劳动强度的同时，提升生产效率，降低生产成本。该文使用 PLC（可编程控制器）设计气动机械手的控制系统，完成把工件从右侧物料台搬运到左侧工作台的任务。详细地阐述基于 PLC 的气动机械手控制系统的结构设计、电气设计及工作过程等。经测试，该系统可平稳运行，满足生产需求。关键词：PLC；气动；机械手；控制系统；系统设计中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）06-0049-04Abstract:Pneumatic manipulator is an important
4、 equipment in the industrial field,which can replace manual hands tocomplete sorting,handling,loading and unloading,thus reducing the labor intensity of workers,improving production efficiency andreducing production costs.In this paper,the control system of the pneumatic manipulator is designed by u
5、sing the PLC controllerto complete the task of transporting the workpiece from the right material table to the left worktable.The structure design,electrical design and working process of the control system of PLC pneumatic manipulator are described in detail.After testing,thesystem can run smoothly
6、 and meet the production demand.Keywords:PLC;pneumatic;manipulator;control system;system design基金项目：2022 年度广东省普通高校青年创新人才类项目（2022KQNCX202）；广东水利电力职业技术学院 2022 年度青年创新人才类项目（XK202214）；广东水利电力职业技术学院 2022 年度校级课程思政项目（GX0201KCSZKC202225）第一作者简介：靳宏（1989-），女，硕士，工程师。研究方向为工业控制、机器视觉等。气动手指及其夹紧机构手臂伸缩气缸伸缩气缸支承板提升机构摆动气缸提
7、升气缸（薄型气缸）DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.06.01149-2023年6期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application变压缩空气的流通方向，气缸的运动方向也随之改变。通过气缸的运动控制，实现机械手的上下、左右、伸缩、抓紧和松开等动作。气动系统由空压机等气源系统，单电控和双电控电磁换向阀等气动控制元件，薄型气缸、旋转气缸、气动手指和标准气缸等作为气动执行元件，以及气动三联件、快速排气阀等各种气动辅助元件组成3。2传感器设计选型2.1磁性开关该设计所选用的气动执行元件的到位信号传感器都是磁性开关。各个气缸
8、的缸筒选用导磁性弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢等。活塞是非磁性体，上面安装一个永久磁铁的磁环。磁性开关安装在气缸外侧，通过监测磁环的磁场来间接检测气缸的活塞位置2，如图2 所示。注：1.动作指示灯；2.保护电路；3.开关外壳；4.导线；5.活塞；6.磁环（永久磁铁）；7.缸筒；8.舌簧开关。图2磁性开关检测活塞位置原理示意图触电断开或闭合的信号发给 PLC，以实现对气缸位置的监测，通过与触点处于正逻辑关系的 LED 的亮灭可以实时观测触点或者活塞的位置，方便调试。磁性开关传感器的内部电路情况和图形符号如图 3 所示。（a）内部电路情况（b）图形符号图3磁性开关传感器的内部电路情况及图形符号
9、2.2光电开关光电传感器是利用光的各种特性来检测有无物体、物体表面变化情况等的传感器。其中输出信号是开关量的光电传感器，称为光电开关4。光电开关由光发射器和光接收器 2 部分组成。漫反射式光电开关的光发射器与光接收器处于同一侧，且集成一为体。投光部发射出的光线照射到被测物体上后，反射回来的光线被受光部接收到并使开关状态翻转。漫反射式光电开关工作原理示意图如图 4 所示。图4漫反射式光电开关工作原理示意图该控制系统中，用来检测有无工件的光电开关是一种漫反射式的光电开关。选用型号为 OMRON（欧姆龙）公司的 CX-441（E3Z-LS63）。该光电开关能同时把工件有无信息传送给 PLC，方便进行
10、动作模式调试和检测距离调试。该光电开关的外观图如图 5 所示。图中动作转换开关是进行动作模式调节，灵敏度旋钮用来调节检测距离。图5E3Z-LS63型光电传感器3系统控制方案设计3.1电气设计气动机械手控制系统需 11 个输入量，9 个输出量，选用了 S7-200 SMART 系列 PLC 的 SMART 200ST40 DC/DC/DC。该型号的 CPU 具有 24 点输入和 16点晶体管输出点位，在满足当前点位需求的同时也方便后续的扩展使用。控制系统的 I/O 控制点位分布见表 1，电气连接图如图 6 所示。CPU 的输入信号，包括来自三线制的物料检测传感器 BG1，检测气缸到位情况的二线制
11、的磁性开关，以及控制系统运行的复位按钮 SB1、启动按钮 SB2 和急停按钮 QS。CPU 的输出信号，有控制抬升机构升降和手臂伸缩的单电控电磁阀，控制回转气缸左右旋转和手爪松紧的双电控电磁阀，以及显示系统运行状态的准备就绪指示灯 HL1、运行指示灯 HL2 和停止指示灯 HL3。稳定指示灯（绿色）动作指示灯（橙色）灵敏度旋钮动作转换开关棕蓝舌簧开关检测物体对射光反射光受光部投光部传感器光线被检测物体遮盖50-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期3.2程序设计根据系统工作要求和 I/O 分配表，进行了程序设计和编辑。程序
12、先进行系统状态自查，满足启动条件且启动按钮被按下后，系统的运行过程被分成了 5 步。如图 7 所示。4系统工作过程测试完成以上设计系统的机械和电气安装后，下载程序进行系统工作调试，调试过程如下。1）设备上电和气源接通后，按下复位按钮执行复位操作，使各个气缸满足初始位置的要求，复位完成，就绪指示灯常亮，表示系统准备好。（注：气缸初始位置是指提升气缸在上限位，摆动气缸在右限位，伸缩气缸在缩回状态，气动手指在松开状态。）2）当系统准备好后，按下启动按钮，系统启动，就绪指示灯灭，启动灯常亮，开始进入正常工作过程。3）正常工作动作过程示意图如图 8 所示：右侧料台上有料，抓取机械手装置伸出手臂，基座下降
13、，从供料站出料台抓取工件；抓取动作完成后，基座上升，机械手缩回，左转；到达取料站物料台的正上方后，基座下降，手臂伸出，手爪松开把工件放到左侧取料站物料台上；放下工件动作完成后，机械手手臂缩回，基座上升，摆台右转；一个工作周期结束，当供料台有物料则自动进入下一个工作周期。表1控制系统的I/O控制点位分布表 输入信号 输出信号 序号 PLC 输入点 项目 序号 PLC 输出点 项目 1 I0.0 光电传感器 1 Q0.0 2 I0.1 基座下降到位检测 2 Q0.1 3 I0.2 基座上升到位检测 3 Q0.2 基座上升控制电磁阀 4 I0.4 机械手左转到位检测 4 Q0.4 旋转气缸左转控制电
14、磁阀 5 I0.5 机械手右转到位检测 5 Q0.5 旋转气缸右转控制电磁阀 6 I0.6 手臂伸出到位检测 6 Q0.6 手爪伸出控制电磁阀 7 I0.7 手臂缩回到位检测 7 Q0.7 8 I1.0 手爪夹紧到位检测 8 Q1.0 机械手爪夹紧控制电磁阀 9 I1.1 9 Q1.1 机械手爪松开控制电磁阀 10 I1.5 复位按钮 10 Q1.5 就绪指示灯 11 I1.6 启动按钮 11 Q1.6 运行指示灯 12 I1.7 急停按钮 12 Q1.7 停止指示灯 图6控制系统电气连接图1B1 1B22B1 2B2 3B1 3B2 4B+24 VFU0 VBG11ML+1.71.61.51
15、.41.31.21.11.00.70.60.50.40.30.20.10.0M2L+L+1.71.61.51.11.03M3L+0.70.60.50.40.30.20.10.02MMMAC Address IE(LAN)DIaDIbDIc24 VDC Intput24VDC OutputDQbDQaSMART 200 ST40 DC/DC/DC1Y2Y22Y13Y4Y14Y2HL1HL2HL3未接线+24 V0 VSB1 SB2QS+24 VO VFU510W2N2PEPECOMV+L1NPE电源进线来自配电箱51-2023年6期众创空间科技创新与应用Technology Innovation
16、 and Application图8机械手正常工作动作过程示意图4）系统停止。若在工作过程中按下急停按钮，则系统立即停止运行，启动灯灭，停止灯亮起。再次按下启动按钮后系统从停止前的断点开始继续运行。5结束语采用 PLC 控制、压缩空气驱动的机械手具有绿色环保、低价高效、结构简单且安全稳定等特点，能实现把工件从右边物料台送往左边工作台的自动、周期性运行。物料监测开关和各个气缸处的到位磁性开关可实时反馈机械手的运行状态给 PLC。实验表明，本设计中的机械手控制系统能够按照生产要求平稳运行、可靠工作。参考文献：1 周晓娟，台畅.基于 PLC 的四自由度气动机械手控制系统设计研究J.中国设备工程，2022（1）：29-30.2 李志梅，张同苏.自动化生产线安装与调试（西门子 S7-200SMART 系列）M.北京：机械工业出版社，2019.3 朱梅，朱光力.液压与气动技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2020.4 刘娇月，杨聚庆.传感器技术及应用项目教程M.2 版.北京：机械工业出版社，2022.图7程序主要步骤手臂伸出基座下降手爪夹紧基座上升手臂缩回右转左转（进入循环）基座上升手臂缩回手