机械手自动控制系统的PLC实现方法研究

PAGE16PAGEIII机械手自动控制系统的PLC实现方法研究摘要机械手是一种多功能机械，能自动定位、控制和编程改变。在工业自动化生产中占有重要地位。传动方式可采用液压传动、气动传动、电气控制等方式。随着传感器技术、气动技术和计算机技术的发展，基于计算机技术的控制技术得到了迅速发展。气动技术以其经济、廉价、灵敏度高等优点成为研究热点之一。本文的控制对象是由三个操纵器组成的一组操纵器。每个机械手完成八个基本动作，三个机械手相互配合。机械手由气缸驱动，气缸由电磁阀控制。限位开关检测操纵器是否达到固定位置。本文以西门子S7-200系列CPU224为核心，对EM221数字输入模块和EM222继电器输出模块进行了扩展。机械手的开关信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器控制电磁阀。在软件方面，设计了主程序和子程序。主程序控制操纵器组动作，子程序控制每个操纵器动作。关键词：气动机械手；梯形图；PLC

ABSTRACTRobotisakindofautomaticpositioningcontrolandreprogrammabletochangethemulti-functionmachines,industrialautomationproductionoccupiesanimportantposition.Drivecanbehydraulictransmission,pneumatictransmissioncanalsobeelectricalcontrolandothermethods.Withthedevelopmentofsensortechnology,pneumatictechnologyandcomputertechnology,thecontroltechnologybasedoncomputertechnologyhasdevelopedrapidly,amongwhichpneumatictechnologyhasbecomeoneofthehotspotsofresearch,whichiseconomical,cheapandsensitive.Thecontrolobjectofthispaperisarobotgroupconsistingofthreehandlingmanipulators.Eachmanipulatorcompleteseightbasicactions,andthreemanipulatorscooperatewitheachother.Therobotisdrivenbyacylinder,whichiscontrolledbyasolenoidvalve.Thelimitswitchdetectsiftherobotreachesafixedposition.Inthispaper,programmablelogiccontroller(PLC)selectsSiemensCPU(SIEMENS)S7-200seriesCPU224,andexpandstheEM221digitalinputmoduleandEM222relayoutputmodule.ThemanipulatoroftheswitchsignaldirectlyintothePLC,PLCrelaythroughthemiddleofthesolenoidvalvetobecontrolled.Insoftware,themainprogramandsubprogramaredesigned.Themainprogramcontrolrobotgroupaction,subroutinecontroleachrobotaction.Keywords:pneumaticmanipulator;ladderdiagram;

目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 11.3国内外研究现状 11.3.1机械手的发展历程及现状 11.3.2气动机械手概述 32设计方案 42.1机械手的设计 42.1.1气动搬运机械手的结构 42.1.2气动搬运机械手的工作原理 42.2气动搬运机械手群 52.2.1气动搬运机械手群结构 52.2.2气动搬运机械手群工作原理 62.3主要内容及达到的目标 63系统硬件电路的设计 83.1PLC的简介 83.1.1可编程控制器的概念 83.1.2PLC的应用领域 83.2输入/输出信号 93.3PLC的选型 113.4I/O地址分配 133.5PLC外部接线 153.6电气控制原理 184软件设计 204.1机械手1控制程序 204.2机械手2控制程序 224.3机械手3控制程序 254.4机械手群主程序 27结语 31参考文献 32致谢 34附录1PLC程序图 35附录2装配图 41PAGE171绪论1.1研究背景随着社会和科学技术的进步，工业生产自动化设备的应用越来越广泛。机械手的诞生是基于生产技术的不断改进。它是现代生产与科学技术应用相结合形成的一项重要技术。工业机械手的应用降低了劳动强度，提高了产品加工精度，减少了危险的手工生产，特别是在一些危险行业，如化工生产中的有毒物质，核电站的放射性物质，易燃易爆的生产环境等。烟火等物品非常适合使用。使用操纵器进行生产。在机械工业（铸造、锻造、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等）中也被广泛使用，如在柔性生产线上使用气动机械手运输物料；在机械零件装配线上，使用机械手抓取零件并与另一零件装配。这些应用大大降低了劳动强度，促进了安全生产，提高了产品质量，适应了现代生产趋势，具有很强的生命力。1.2研究意义机械手的驱动方式有气动传动、液压传动、电气传动和机械传动。压缩空气作为气动技术的介质，具有动作快、稳定可靠、结构简单、重量轻、体积小、节能、使用寿命长等特点。特别是在控制简单、维护方便、无环境污染的情况下，气动技术往往是机械手的首选驱动系统。与其它控制方法相比，气动机械手具有无污染、抗干扰、成本低、结构简单、功率体积比高等特点。气动可编程控制器控制的机械手是现代机电自动化生产线的重要辅助设备。它可以实现六个方向的三维运动：上下、左右、展开。更适合批量生产和柔性制造的现代加工方法。它能按预定的程序和控制要求完成货物、材料、机械部件的运输、装卸、搬运等操作，并能在需要时修改程序，实现动作的改变。1.3国内外研究现状1.3.1机械手的发展历程及现状古代的机械手在古机器人基础上发展起来的，最早研究机械手及其关节活动等问题的是我国古代机关人的制造者们。现代的机械手研究始于1950年，在这时计算机在人类的生产和生活领域中发挥着日益重要的作用，因此社会对计算机的需求量也不断增加，这种大规模的需求又反过来推动了自动化技术的进展，后来具备微型计算机控制系统，具有视觉、触觉和听觉以及思考能力的机械手得到很大的发展。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手，它通过传感器和中央处理器联接，生产过程中出现的各种状况，它都能准确地进行传导，从而可以使操作者能迅速全面地掌握生产现场的各种情况，为自动化生产提供强有力的支撑。美国是世界上第一个开展机械手研究和开发的国家。1958年，美国一家合资公司开发出世界上第一台采用吸附手结构的机械手，是一种生殖记忆操纵器。1962年，美国一家铸造公司在上述机械手的基础上，试图生产一种模拟坦克炮塔运动系统的CNC模型机械手，驱动装置液压驱动，以磁鼓为操纵装置的驱动装置。机械手在日本的生产和生活以及服务领域发展极快，应用领域极其广泛，从事机械手研究的科研院所、高校和机械手的生产企业数量十分庞大，在日本机械手的产值可达上千亿日元。在国外,工业机械手应用和发展较快的主要是自动化和数控机床、压力机的上下料和焊接、喷漆以及装配工序，通常具有一定的传感功能，能够随着外部物理参数的变化做出相应的反应和调整。随着科技发展水平的日新月异，机械手的领域发展呈现出以下特点：（1）总体性能，比如速度、精度和可靠性以及可维修性不断提高，而单机价格却不断下降。（2）连杆模块以重组的方式来建构。（3）控制系统以标准化，联网，高集成，开放的方向发展，系统操作简便，可靠性大大提高，便于设备维护人员进行设备维护和检修。（4）虚拟现实技术在机械手中已经广泛用于机械手的过程控制我国对机器人的研究开始1970年后，通过不断地发展进步，目前已基本掌握了机器人的设计与制造、静力学及运动学和动力学仿真理论、机器人在实际过程中的轨迹规划与实践等，已经能够对机器人的大部分元器件进行生产和制造，生产的机器人广泛应用于汽车生产线以及其他生产制造业自动化生产线中。不只是机器人公司，我国各级科研机关、高等院校也开展了各种用途机器人的研制工作，这其中有些产品比如采用液压驱动的多自由度多关节喷漆机器人以及弧焊机器人和伺服机械手是我国机器人研发的代表产品。虽然我国在机器人领域已经取得了极大地进步，但与世界先进国家相比，我国的工业机器人技术和工程应用的水平存在着比较大的差距，具体体现在如下几个方面：机器人的可靠性较低；机器人应用领域较窄，自动化生产线系统比如遥控与局部自主控制、多传感信息融合技术、装配过程的自动化和智能化等方面与国外先进国家相比有比较大的差距。就其原因，主要是我国的机器人生产模式都是采取应用户需求、一种客户一种设计的模式造成了机械手的规格多、批量小、零部件通用化程度低成本高、质量也不稳定，所以造成的结果是机器人无论在性能、品种等各个方面距离工业自动化和智能化的要求还比较远，需要不断的进行发展和改进。为了改变我国机器人在产业化过程中面临的种种问题，迫切需要对机器人行业进行全面系统的规划，使产品的品种更多，功能也日益完善，就会使机械手产生并且形成规模化、通用化、模块化设计的格局，在这一思路的指引下，我国的机器人产业在近期更上一层，其中智能机器人、特种机器人取得了相当大的成果，在这其中我国研制的水下机器人尤其是水下无缆机器人已经处于世界领先水平。在机器人的基础技术研究工作方面，我国也取得了不小的成绩，这其中包括机器人视觉、声觉、触觉的开发应用以及基础材料和零部件等，已经初步形成能够供系统配套的比较实用的技术和产品。1.3.2气动机械手概述机械手最初用于汽车制造业，通常用于焊接、喷漆、装卸和搬运。机械手扩大了人的手、脚和大脑的功能。在危险、有害、有毒、低温、高热的环境中工作，可以替代人类。它可以代替人完成繁重单调的重复性工作，提高劳动生产率，保证产品质量。电机驱动是工业机械手最常用的驱动方式之一。驱动电机常用步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。由于电机转速高，通常采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构）。这种机械手具有控制精度高、驱动力大、响应快、信号检测、传输和处理方便等特点，可采用多种灵活的控制方案。但由于这种机械手价格昂贵，在某些场合的广泛应用受到限制。因此，人们开始寻求其他经济适用的机械手驱动方法。随着气动技术的飞速发展，在满足社会生产实践需要的同时，气动设备的使用越来越受到重视，其性价比低、优点多。气动机械手技术已成为满足许多行业生产实践要求的重要实用技术。

2设计方案2.1机械手的设计2.1.1气动搬运机械手的结构机械手有很多种，但根据臂坐标的类型，主要有直角坐标、圆柱坐标、球面坐标、关节坐标和SCARA。本文中的机械手属于柱坐标型。如图2.1所示，机械手主要由底座和臂两部分组成。底座的主要任务是支撑和完成臂的旋转。臂架安装在底座上，沿直线上下移动。手可以夹紧/放松。机械手手部机械手手部机械手横臂机械手立柱机械手基座图2.1机械手原理图本机械手的全部动作由气缸驱动。气缸由电磁阀控制。驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手部驱动气缸。2.1.2气动搬运机械手的工作原理机械手由气压驱动。压力为0.6兆帕，最大为1兆帕。操纵器有两个线性运动和一个旋转自由度，用于将原始工作台上的对象移动到左侧工作台。机械手的整个运动由气缸驱动，气缸由电磁阀控制。整个机械手可实现升降、左右旋转、夹紧/放松等功能。它是目前比较简单、应用广泛的机械手。操作器的工作流程如图2.2所示。开始开始下降抓紧上升左旋下降放松上升右旋结束原位图2.2工作流程升降运动是通过升降缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨和升降位置微动开关配合完成的。起升行程为0-1500mm。旋转由摆缸、轴向推力轴承、摆臂和摆位微动开关协调。旋转行程为0-180度。手在气缸和弹簧的作用下夹紧，夹紧力通过调节弹簧的预压来调节。2.2气动搬运机械手群2.2.1气动搬运机械手群结构本论文的控制对象是由三个机械手组成的机械手群。其结构如图2.3所示。机械手1机械手1机械手2机械手3工作台A工作台B工作台C红外检测红外检测红外检测图2.3机械手群结构三个机械手、三个工作台和三个红外探测器固定在一个大底座上。每个操纵器的手下方都有一个工作台，用于放置对象。在每个机械手的底座和工作台之间有一个红外探测器，用来检测工作台上是否有任何东西。操纵器将项目从右工作台移动到左工作台。2.2.2气动搬运机械手群工作原理当系统工作开始时，当工作台A上有项目时，操纵器1首先工作，完成八个基本操作（即A循环）后，将项目放在工作台B上，操纵器2开始工作。完成同一个循环后，将物体放置在工作台C上，机械手3开始工作，使三个机械手在系统工作完成后继续循环，机器机械手1先完成一个循环，然后停止工作，然后机械手2和机械手3依次停止工作。2.3主要内容及达到的目标本文的主要内容是以气动装卸机械手为控制对象，以PLC为控制器，实现气动装卸机械手组的自动操作控制。本文的目标是，当系统工作开始时，机械手1首先工作，完成八个基本操作（即一个循环）后，机械手2开始工作，在同一个循环后，机械手3开始工作，使三个机械手继续循环；当系统工作结束时，机械手1首先完成一个循环，停止，然后操作器2。操纵器3也按顺序停止工作。每个操纵器完成八个基本操作。步骤1：当工作台上有项目时，操纵器下降。第二步是机械手在最低位置抓取物体。第三步是操纵器将对象夹住。第四步是机械手用右手夹住物体180度。步骤5是操纵器将对象夹紧。步骤6是在最低级别释放项目。步骤7操纵器上升。第八步是将操纵器向左旋转180度并返回到其原始位置。本系统的控制方案为了实现气动装卸机械手组的自动控制，系统采用PLC作为控制器。本系统的输入开关量为数字信号，直接与PLC相连。PLC通过中间继电器控制电磁阀。系统框图如图2.4所示。右旋限位开关右旋限位开关停止按钮启动按钮物品检测开关下降限位开关夹放检测开关上升限位开关左旋限位开关PLC上升电磁阀夹放电磁阀右旋电磁阀左旋电磁阀选择按钮下降电磁阀继电器继电器继电器继电器继电器图2.4系统框图

3系统硬件电路的设计3.1PLC的简介3.1.1可编程控制器的概念可编程逻辑控制器（PLC）是PLC的简称。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3章中将PLC定义为：“可编程控制器（PLC）是一种数字操作的电子系统，专门设计用于工业环境。它使用可编程内存来存储和执行其中的逻辑操作。顺序控制、定时、计数和操作说明。通过数字和模拟输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及相关设备应易于使工业控制系统成为一个整体，便于扩展其功能的设计原则。现代工业生产过程复杂多样，对控制的要求也各不相同。（1）编程方法简单易学。（2）功能强，性能价格比高。（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。（4）可靠性高，抗干扰能力强。（5）系统的设计、安装、调试工作量少。（6）维修工作量小，维修方便。（7）体积小，能耗低。3.1.2PLC的应用领域一开始，PLC的价格高于继电器控制装置，限制了其应用。但近十年来，PLC的应用越来越广泛。主要原因是：一方面，由于处理器芯片和相关元件的价格，PLC的成本降低了。另一方面，PLC的功能大大提高，可以解决复杂的计算和通信问题。目前，PLC已广泛应用于钢铁、矿山、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保、娱乐等国内外行业。PLC的应用范围通常分为以下五类：（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是PLC应用最合适的领域，它被用来取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机控制、自动生产线控制等。如：注塑机械、印刷机械、装订机械、包装机械、剪纸机械、组合机床、磨床、流水线、电镀流水线、电梯控制等。（2）运动控制目前，PLC厂家提供了单轴或多轴位置控制模块来驱动步进电机或伺服电机。在大多数情况下，PLC向模块发送描述目标位置的数据。模块的输出将一个或多个轴移动到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，以保持运动平稳。相对而言，位置控制模块比CNC设备更小、更便宜、更快、更容易操作。（3）过程控制PLC还可以控制大量的工艺参数，如温度、流量、压力、液位、速度等。PID模块为PLC提供了闭环控制功能，即可采用具有PID控制能力的PLC进行过程控制。当过程控制变量偏离时，PID控制算法计算出正确的输出，并将变量保持在设定值上。（4）数据控制在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统，应用于数控系统和数控系统中，可以完成大量的数据控制。（5）通信控制PLC的通信包括主机与远程I/O、多个PLC之间以及PLC与其它智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其它智能控制设备共同构成集中管理、分散控制的分布式控制系统。3.2输入/输出信号本控制系统有27个输入开关量，分别为：系统启动按钮1个负责整个系统的启动；系统停止按钮1个负责整个系统的停止；选择按钮1个负责机械手自动控制和检测的切换；机械手的启动按钮3个负责检测时每个机械手的启动；机械手的停止按钮3个负责检测时每个机械手的停止；物品检测开关3个负责检测工作台上是否有物品；下降限位开关3个负责检测机械手到达最低位置；夹放检测开关3个负责机械手夹放物品的检测；上升限位开关3个负责检测机械手到达最高位置；右旋限位开关3个负责检测机械手是否右旋转180°；左旋限位开关3个负责检测机械手是否左旋转180°；建立输入信号名称与电气符号表3.1。表3.1输入信号名称与电气符号表序号名称电气符号1总启动按钮SB12总停止按钮SB23自动/手动选择按钮SB34机械手1启动按钮SB45机械手1停止按钮SB56机械手2启动按钮SB67机械手2停止按钮SB78机械手3启动按钮SB89机械手3停止按钮SB910工作台A物品检测开关SQ111工作台B物品检测开关SQ212工作台C物品检测开关SQ3续表3.113机械手1下降限位开关SQ414机械手1夹紧检测开关SQ515机械手1上升限位开关SQ616机械手1左旋限位开关SQ717机械手1右旋限位开关SQ818机械手2下降限位开关SQ919机械手2夹紧检测开关SQ1020机械手2上升限位开关SQ1121机械手2左旋限位开关SQ1222机械手2右旋限位开关SQ1323机械手3下降限位开关SQ1424机械手3夹紧检测开关SQ1525机械手3上升限位开关SQ1626机械手3左旋限位开关SQ1727机械手3右旋限位开关SQ18本控制系统由15个输出电磁阀，分别为：机械手下降电磁阀3个负责启动机械手的下降；机械手夹放电磁阀3个负责启动机械手夹放物品；机械手上升电磁阀3个负责启动机械手的上升；机械手右旋电磁阀3个负责启动机械手的右旋；机械手左旋电磁阀3个负责启动机械手的左旋。建立输出信号名称与电气符号表3.2。表3.2输出信号名称与电气符号表序号名称电气符号12机械手1下降电磁阀YV12机械手1夹放电磁阀YV23机械手1上升电磁阀YV3续表3.24机械手1左旋电磁阀YV45机械手1右旋电磁阀YV56机械手2下降电磁阀YV67机械手2夹放电磁阀YV788机械手2上升电磁阀YV89机械手2左旋电磁阀YV910机械手2右旋电磁阀YV1011机械手3下降电磁阀YV1112机械手3夹放电磁阀YV1213机械手3上升电磁阀YV1314机械手3左旋电磁阀YV1415机械手3右旋电磁阀YV153.3PLC的选型目前，世界上有200多家工厂生产可编程控制器产品。最著名的PLC制造商是AB、GE、Mitsbishi、欧姆龙、西门子、法国的TE、韩国的Sumsung和LG。本文选用德国西门子公司生产的S7-200PLC。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC。S7-200系列PLC的许多功能达到了大中型PLC的水平，但其价格与小PLC相同。特别是S7-200CPU22*系列PLC，由于它有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，而且可以很容易地形成PLC网络。同时，具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使控制系统的设计简单、快速、通讯能力强，几乎可以完成控制任务的任何功能。CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元：（1）CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力；（2）CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展；（3）CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；（4）CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；（5）CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。典型的数字量输入/输出扩展模块有：输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入、8点AC输入。输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。本次设计中共27个输入量，共15个输出量，共计32点，因此选用了S7–200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7–200产品。由于本系统的具有27点输入/15点输出，CPU224不能满足本系统的要求，所以扩展8点DC输入EM221两个，用于数字开关量的输入，扩展8点继电器输出EM222一个，用于继电器的输出。由CPU224、两个EM221和一个EM222组成了PLC控制系统框图如图3.3所示。CPUCPU224EM221（1）EM221（2）EM222图3.3控制系统框图3.4I/O地址分配根据机械手的输入信号为27个，输出信号为15个，建立I/O地址分配表。建立输入信号地址分配表如表3.3所示：表3.3输入信号地址分配表序号名称地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SB6I0.57SB7I0.38SB8I1.09SB9I1.110SQ1I0.711SQ2I1.212SQ3I1.313SQ4I2.014SQ5I2.115SQ6I2.216SQ7I2.317SQ8I2.418SQ9I2.519SQ10I2.620SQ11I2.721SQ12I3.0序表3.322SQ13I3.123SQ14I3.224SQ15I3.325SQ16I3.426SQ17I3.527SQ18I3.6建立输出信号地址分配表如表3.4所示：表3.4输出信号地址分配表序号名称地址1KA1Q0.02KA2Q0.13KA3Q0.24KA4Q0.35KA5Q0.46KA6Q0.57KA7Q0.68KA8Q0.79KA9Q1.010KA10Q1.111KA11Q2.012KA12Q2.113KA13Q2.214KA14Q2.315KA15Q2.4建立通用辅助继电器地址分配表如表3.5所示：表3.5通用辅助继电器地址分配表序号名称地址1自动方式M0.02手动方式M0.13机械手1动作中M0.24机械手2动作中M0.35机械手3动作中M0.46系统停止M0.53.5PLC外部接线本系统的各模块在I/O链中的位置排列方式如图3.2所示。主机主机CPU224模块1EM221DI8DC24V模块2EM221DI8DC24V模块2EM222DO8DC24V图3.2各模块链图表3.6所列为其对应的各模块编址情况。表3.6各模块编址主机I/OCPU224模块1I/OEM221模块2I/OEM221模块3I/OEM222I0.0Q0.0I2.0I3.0Q2.0I0.1Q0.1I2.1I3.1Q2.1I0.2Q0.2I2.2I3.2Q2.2I0.3Q0.3I2.3I3.3Q2.3I0.4Q0.4I2.4I3.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5I3.5Q2.5序表3.6I0.6Q0.6I2.6I3.6Q2.6I0.7Q0.7I2.7I3.7Q2.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5EM221（1）外部接线如图3.3所示。图3.3EM221（1）外部接线机械手1的下限位开关SQ4、机械手1的夹紧检测开关SQ5、机械手1的上升限位开关SQ6和机械手1的左限位开关SQ7分别与扩展模块EM221（1）的I2.0-I2.3相连。机械手1右手限位开关SQ8、机械手2下限位开关SQ9、机械手2夹持检测开关SQ10、机械手2上限位开关SQ11分别与扩展模块EM221（1）的I2.4-I2.7相连。EM221（2）外部接线如图3.4所示。图3.4EM221（2）外部接线机械手2个左手限位开关SQ12，机械手2个右手限位开关SQ13，机械手3个下降限位开关SQ14，机械手3个夹紧检测开关SQ15，分别连接扩展模式EM221（2）I3.0-I3.3。机械手3的上限位开关SQ16、机械手3的左限位开关SQ17、机械手2的右限位开关SQ18分别与扩展模块EM221（2）的I3.4-I3.6相连。EM222外部接线如图3.5所示。图3.5EM221（2）外部接线机械手3下降电磁阀的中间继电器KA11、机械手3排出电磁阀的中间继电器KA12、机械手3上升电磁阀的中间继电器KA13和机械手3左手电磁阀的中间继电器KA14分别连接在o扩展模块3EM222的Q2.0-Q2.3。操纵器3右电磁阀KA15继电器，3EM222扩展模块Q2.4连接。CPU224外部接线如图3.6所示。图3.6CPU224外部接线总启动按钮SB1，总停止按钮SB2，自动/手动选择按钮SB3，机器人1启动按钮SB4，机器人1停止按钮SB5，机器人2启动按钮SB6，机器人2停止按钮SB7，工作台AI0.0-I0.7，分别连接到CPU224。机器人3启动按钮SB8，机器人3停止按钮SB9，工作台B项目检测开关SQ2，工作台C项目检测开关SQ3，分别连接到CPU224I1.0-I1.3。机械手1下降电磁阀中间继电器KA1、机械手1排出电磁阀中间继电器KA2、机械手1上升电磁阀中间继电器KA3、机械手1左手电磁阀中间继电器KA4与Q0.0-分别为CPU224的Q0.3。机械手1右手电磁阀中间继电器KA5、机械手2下降电磁阀KA6、机械手2排出电磁阀KA7分别与CPU224的Q0.4-Q0.6相连。机械手2上升电磁阀中间继电器KA8、机械手2左电磁阀KA9、机械手2右电磁阀KA910分别与CPU224的Q0.7-Q1.1相连。3.6电气控制原理操纵器1下降电磁阀连接KA1；操纵器1夹钳放电电磁阀连接KA2；操纵器1上升电磁阀连接KA3；操纵器1左电磁阀连接KA4；操纵器1右电磁阀连接KA5；操纵器2下降电磁阀连接KA6；操纵器2夹钳放电S电磁阀接KA7；操纵器2上升电磁阀接KA8；操纵器2左电磁阀接KA9；操纵器2右电磁旋转电磁阀接KA10；操纵器3下降电磁阀接KA11；操纵器3夹持放电电磁阀接KA12；操纵器3上升电磁阀VALVE连接KA13；操纵器3左电磁阀连接KA14；操纵器3右电磁阀连接KA15；电气连接图如图3.7所示。图3.7电气连接图

4软件设计4.1机械手1控制程序当I2.2=1（上升限位开关闭合）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合）；且Q0.2=0（上升电磁阀断开）：且Q0.3=0（左旋电磁阀断开），则Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；并且M0.2=1（辅助继电器）。梯形图如图4.1所示。图4.1梯形图当Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合），则Q0.0=0（下降电磁阀断开）并且Q0.1=1（夹放电磁阀闭合）。梯形图如图4.2所示。图4.2梯形图当Q0.1=1（夹放电磁阀闭合）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.2=0（上升电磁阀断开），则定时器T53启动定时。当53=1（定时时间到）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.0=0（下降电磁阀断开），则Q0.2=1（上升电磁阀闭合）。梯形图如图4.3所示。图4.3梯形图当Q0.2=1（上升电磁阀闭合）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合）；I2.2=1（上升限位开关闭合），则Q0.2=0（上升电磁阀断开），并且Q0.4=0（右旋电磁阀断开），则Q0.3=1（左旋电磁阀闭合）。梯形图如图4.4所示。图4.4梯形图当Q0.3=1（左旋电磁阀闭合）；且I2.2=1（上升限位开关闭合）；且I2.3=1（左旋限位开关闭合），则Q0.3=0（左旋电磁阀断开）并且Q0.2=0（上升电磁阀断开）则Q0.0=1（下降电磁阀闭合）。梯形图如图4.5所示。图4.5梯形图当Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；且I2.3=1（左旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合），则Q0.0=0（下降电磁阀断开）并且Q0.1=0（夹放电磁阀断开）。梯形图如图4.6所示。图4.6梯形图当Q0.1=0（夹放电磁阀断开）；且I2.3=1（左旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.2=0（上升电磁阀断开），则定时器T54启动定时。当T54=1（定时时间到）；且I2.3=1（左旋限位开关闭合）；且I2.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.0=0（下降电磁阀断开），则Q0.2=1（上升电磁阀闭合）。梯形图如图4.7所示。图4.7梯形图当Q0.2=1（上升电磁阀闭合）；且I2.3=1（左旋限位开关闭合）；I2.2=1（上升限位开关闭合），则Q0.2=0（上升电磁阀断开），并且Q0.3=0（左旋电磁阀断开），则Q0.4=1（右旋电磁阀闭合）。梯形图如图4.7所示。图4.8梯形图当Q0.4=1（右旋电磁阀闭合）；且I2.2=1（上升限位开关闭合）；且I2.4=1（右旋限位开关闭合），则Q0.4=0（右旋电磁阀断开）并且M0.2=0（辅助继电器）。梯形图如图4.9所示。图4.9梯形图4.2机械手2控制程序当I2.7=1（上升限位开关闭合）；且I3.1=1（右旋限位开关闭合）；且Q0.7=0（上升电磁阀断开）：且Q1.0=0（左旋电磁阀断开），则Q0.5=1（下降电磁阀闭合）；并且M0.3=1（辅助继电器）。梯形图如图4.10所示。图4.10梯形图当Q0.5=1（下降电磁阀闭合）；且I3.1=1（右旋限位开关闭合）；且I2.5=1（下降限位开关闭合），则Q0.5=0（下降电磁阀断开）并且Q0.6=1（夹放电磁阀闭合）。梯形图如图4.11所示。图4.11梯形图当Q0.6=1（卡箍放电电磁阀关闭）；I3.1=1（右侧限位开关关闭）；I2.5=1（下降限位开关关闭）；Q0.7=0（上升电磁阀打开），计时器t55开始计时。当55=1（定时时间）；I3.1=1（右手限位开关闭合）；I2.5=1（下限位开关闭合）；Q0.5=0（下电磁阀开启），则Q0.7=1（上电磁阀关闭）。梯形图如图4.12所示。图4.12梯形图当Q0.7=1（上电磁阀关闭）；I3.1=1（右限位开关关闭）；I2.7=1（上限位开关关闭），则Q0.7=0（上电磁阀打开）；Q1.1=0（右电磁阀打开），则Q1.0=1（左电磁阀关闭）。梯形图如图4.13所示。图4.13梯形图当q1.0=1（左电磁阀关闭），i2.7=1（上限位开关关闭），i3.0=1（左限位开关关闭），q1.0=0（左电磁阀打开），q0.7=0（上电磁阀打开），q0.5=1（下电磁阀关闭）。梯形图如图4.14所示。图4.14梯形图当Q0.5=1（下降电磁阀闭合）；且I3.0=1（左旋限位开关闭合）；且I2.5=1（下降限位开关闭合），则Q0.5=0（下降电磁阀断开）并且Q0.6=0（夹放电磁阀断开）。梯形图如图4.15所示。图4.15梯形图当Q0.6=0（卡箍放电电磁阀断开）；I3.0=1（左转限位开关闭合）；I2.5=1（下降限位开关闭合）；Q0.7=0（上升电磁阀断开）时，计时器t56开始计时。T56=1（定时时间）；i3.0=1（左限位开关闭合）；i2.5=1（下降限位开关闭合）；q0.5=0（下降电磁阀断开），q0.7=1（上升电磁阀闭合）。梯形图如图4.16所示。图4.16梯形图当Q0.7=1（上升电磁阀闭合）；且I3.0=1（左旋限位开关闭合）；I2.7=1（上升限位开关闭合），则Q0.7=0（上升电磁阀断开），并且Q1.0=0（左旋电磁阀断开），则Q1.1=1（右旋电磁阀闭合）。梯形图如图4.17所示。图4.17梯形图当Q1.1=1（右旋电磁阀闭合）；且I2.7=1（上升限位开关闭合）；且I3.1=1（右旋限位开关闭合），则Q1.1=0（右旋电磁阀断开）并且M0.3=0（辅助继电器）。梯形图如图4.18所示。图4.18梯形图4.3机械手3控制程序当I3.4=1（上限位开关闭合），I3.6=1（右限位开关闭合），q2.2=0（上电磁阀断开）：和q2.3=0（左电磁阀断开），则q2.0=1（下电磁阀闭合）；和m0.4=1（辅助继电器）。梯形图如图4.19所示。图4.19梯形图当Q2.0=1（下降电磁阀闭合）；且I3.6=1（右旋限位开关闭合）；且I3.2=1（下降限位开关闭合），则Q2.0=0（下降电磁阀断开）并且Q2.1=1（夹放电磁阀闭合）。梯形图如图4.12所示。图4.20梯形图当Q2.1=1（卡箍放电电磁阀关闭）；I3.6=1（右限位开关关闭）；I3.2=1（下降限位开关关闭）；Q2.2=0（上升电磁阀打开），计时器t57开始计时。当t57=1（定时时间到），i3.6=1（右手限位开关关闭），i2.2=1（下限位开关关闭）；q2.0=0（下电磁阀打开），则q2.2=1（上电磁阀关闭）。梯形图如图4.21所示。图4.21梯形图当Q2.2=1（上升电磁阀闭合）；且I3.6=1（右旋限位开关闭合）；I3.4=1（上升限位开关闭合），则Q2.2=0（上升电磁阀断开），并且Q2.4=0（右旋电磁阀断开），则Q2.3=1（左旋电磁阀闭合）。梯形图如图4.22所示。图4.22梯形图当Q2.3=1（左旋电磁阀闭合）；且I3.4=1（上升限位开关闭合）；且I3.5=1（左旋限位开关闭合），则Q2.3=0（左旋电磁阀断开）并且Q2.2=0（上升电磁阀断开）则Q2.0=1（下降电磁阀闭合）。梯形图如图4.23所示。图4.23梯形图当Q2.0=1（下降电磁阀闭合）；且I3.5=1（左旋限位开关闭合）；且I3.2=1（下降限位开关闭合），则Q2.0=0（下降电磁阀断开）并且Q2.1=0（夹放电磁阀断开）。梯形图如图4.24所示。图4.24梯形图当q2.1=0（卡箍放电电磁阀断开）；i3.5=1（左转限位开关闭合）；i3.2=1（下降限位开关闭合）；q2.2=0（上升电磁阀断开）时，定时器t58开始计时。当t58=1（定时时间到），i3.5=1（左限位开关关闭），i3.2=1（下降限位开关关闭）；q2.0=0（下降电磁阀打开），则q2.2=1（上升电磁阀关闭）。梯形图如图4.25所示。图4.24梯形图当Q2.2=1（上升电磁阀闭合）；且I3.5=1（左旋限位开关闭合）；I3.4=1（上升限位开关闭合），则Q2.2=0（上升电磁阀断开），并且Q2.3=0（左旋电磁阀断开），则Q2.4=1（右旋电磁阀闭合）。梯形图如图4.26所示。图4.26梯形图当Q2.4=1（右旋电磁阀闭合）；且I3.7=1（上升限位开关闭合）；且I3.6=1（右旋限位开关闭合），则Q2.4=0（右旋电磁阀断开）并且M0.4=0（辅助继电器）。梯形图如图4.27所示。图4.27梯形图4.4机械手群主程序当I0.0=1（总启动按钮闭合）；且I0.2=1（手动/自动按钮闭合）；且M0.5=0（系统停止辅助继电器），M0.0=1（机械手群自动方式辅助继电器）。梯形图如图4.28所示。图4.28梯形图当，I0.1=1（总停止按钮闭合）；且M0.2=0；且M0.3=0；且M0.4=0；且I1.2=0（工作台A物品检测开关闭合）；且I1.3=0（工作台B物品检测开关闭合）。则M0.5=1（系统停止辅助继电器）。梯形图如图4.29所示。图4.29梯形图当M0.0=1（机械手群自动方式辅助继电器）；且M0.2=0；且M0.3=0；且M0.4=0；且I0.7=1（工作台A物品检测开关闭合）；且I1.2=0（工作台B物品检测开关断开）；且I1.3=0（工作台C物品检测开关断开）。启动定时器T60定时。当T60=1（定时时间到）调用机械手1控制程序。梯形图如图4.30所示。图4.30梯形图当M0.0=1（机械手群自动方式辅助继电器）；且M0.2=0；且M0.3=0；且M0.4=0；且I1.2=1（工作台B物品检测开关闭合）。启动定时器T61定时。当T61=1（定时时间到），调用机械手2控制程序。梯形图如图4.31所示。图4.31梯形图当M0.0=1（机械手群自动方式辅助继电器）；且M0.2=0；且M0.3=0；且M0.4=0；且I1.3=1（工作台C物品检测开关闭合）。启动定时器T62定时。当T62=1（定时时间到），调用机械手3控制程序。梯形图如图4.32所示。图4.32梯形图当I0.0=1（总启动按钮闭合）；且I0.2=0（手动/自动按钮断开）；且M0.5=0（系统停止辅助继电器），M0.1=1（机械手群手动方式辅助继电器）。梯形图如图4.33所示。图4.33梯形图当M0.1=1（机械手群手动方式辅助继电器）；I0.3=1（机械手1启动按钮闭合）；且I0.4=0（机械手1停止断开），则调用机械手1控制程序。梯形图如图4.34所示。图4.34梯形图当M0.1=1（机械手群手动方式辅助继电器）；I0.5=1（机械手2启动按钮闭合）；且I0.6=0（机械手2停止断开），则调用机械手2控制程序。梯形图如图4.35所示。图4.35梯形图当M0.1=1（机械手群手动方式辅助继电器）；I1.0=1（机械手2启动按钮闭合）；且I1.1=0（机械手2停止断开），则调用机械手3控制程序。梯形图如图4.36所示。图4.36梯形图机械手总启动按钮合总停止按钮同时按下，PLC转为停止状态。机械手1启动按钮合停止按钮同时按下，PLC转为停止状态。机械手2启动按钮合停止按钮同时按下，PLC转为停止状态。机械手3启动按钮合停止按钮同时按下，PLC转为停止状态。梯形图如图4.37所示。图4.37梯形图

结语本文介绍了PLC的定义、特点、应用领域、发展趋势、基本组成和工作原理。在简要介绍工业机械手的基础上，详细讨论了基于PLC的机械手群控系统的组成。设计基本满足设计要求。本文的结论如下：（1）本文中的气动机械手是由气压驱动的。该气动机械手具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等特点。（2）以PLC为控制器，对机械手组的控制系统进行了优化。（3）完成电气控制系统的硬件设计和PLC的外部接线。（4）所有程序均采用模块化设计思想，不仅结构清晰，而且易于检查和修改。程序采用梯形图编写，简单易懂。（5）通过PLC的控制