无锡科技职业学院毕业设计（论文）
用PLC实现对机械手的控制
第一章 机械手控制过程的设计
1.1 机械手的控制要求
设计其结构如图所示
图1-1 坐标式机械手运动原理图
如图所示，将物体从位置A搬至位置B图中设置6个行程开关SQ1—SQ6，9磁传感器B3 - B11用于检测工件是否到位、机械手臂的位置及机械手卡爪的夹紧、放松状态，其中SQ3、SQ4为机械手左移和右移接近开关；SQ5、SQ6为机械手上升和下降接近开关；B3、B4分别为机械手夹紧放松检测开关；B5、B6、B7分别为气缸伸出与缩回检测开关；B8、B9、B10、B11分别为工件检测开关。
机械手搬运过程中要求能够实现自动与自动控制的切换，利于对设备调整和维护。如下图所示的是机械手操控系统的流程图。
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图1-2 机械手操控系统的流程图
1.2 机械手控制系统结构图
根据机械手的运动以及控制方式，设计机械手控制系统的结构框图，如下图所示，
Z轴步进电机 X轴步进电机 机械臂伸缩 机械卡爪松紧 推料一伸出 推料二伸缩
步进电机驱动器 气动阀
触摸屏
P L C 检测传感器
操作 图1-3 机械手控制系统的结构框图
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第二章 机械手驱动硬件的设计
2.1 PLC的概述
可编程序控制器（PLC)，它是以微处理器为基础，归纳了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络节能发展起来的一种通用的产业自动控制装置。由于显著的优点，已广泛应用于冶金，化工，交通，电力和其他领域，已成为现代工业控制的三大支柱。在可编程序控制器问世之前，产业控制范畴中继电器掌管占主导地位。继电器控制具备构造单一、易于操作、价格便宜，在工业生产中利用甚广。但控制装置体积大，动作缓慢，功能少，特别是因为它依赖于硬件系统，布线的复杂性，通用性和灵活性较差。
2.2 PLC的选型
西门子226CPU输入端有24个接口，输出端有16个接口共40I/O点。可连接7个拓展模块，最大拓展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/0点，它有13K字节程序和数据保存空间，6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具备PID控制器，2个S-485通讯编程口，具备PPI通讯协定、具有MPI通讯协议和自由形式通讯功能。用于较高要求的操控系统，具备更多的输入/输出点，更强的模块拓展能力，更快的运转速率和作用更强的内部集成特别功能。完全可以适用于一些复杂的小型控制系统。然后考虑冗余设计的要求，需要10%个冗余I / O。通过系统分析，机械手的控制这一课题有23个输入，15个输出点。根据PLC的I/O点和存储有冗余和一定沟通能力的选择，在德国西门子S7-200PLC CPU226公司控制选择主机类型，以及S7-200 PLC EM223扩展模块2个。
2.3 PLC在机械手中的应用
机械手通常应用于动作繁杂的场所用来代替人的重复的操作，从而节约人力的劳动，通常的继电器因为其体积和接口等问题带来的各方面限定，常常被应用于动作单一的电气自动化流水线控制，而PLC凭借其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强，编程简单、利用、维护方便;配合便利、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等功能被普遍应用于类似机械手的控制动作繁杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种运动的。
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2.4 驱动系统
本机械手采用步进电机和气动驱动两种驱动方式，X轴和Z轴由步进电机驱动，Y轴（机械臂）伸出和缩回由气缸驱动，工件的夹取和放开由机械爪气缸驱动。控制系统实现机械手上升，下，左、右协调动作。
步进电机可以实现和现代的数字控制技术系统相结合。在精度要求不是需求特别高的场合就能够使用步进电机，步进电机可以运用其构造简单、可靠性高和成本低的特征。步进电动机以其显著的特征，在数字化制造时期发挥着重大的用处。伴随着差别的数字化技术的发展以及步进电机本身技术含量的不断提高，步进电机在生产过程中的很多领域都获得了利用。
气压驱动由于气源便利，反映快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵便的控制计划，因此被广泛运用在自动化生产中。
本论文设计的机械手电驱动部分采用步进电机驱动。步进电机与丝杆通过联轴器连接。机械手的左和右的运动是通过丝杆的旋转来实现的，最终是由步进电机来完成的。
机械臂以的伸缩以及机械卡爪对物体的抓取是通过气缸来完成。机械手的整个运动过程需要步进电机与气缸的协调运作来完成。 2.4.1.步进电机驱动器
利用、控制步进电机必需由环形脉冲，功率放大等构成的控制系统，其方框图如下图步进电机驱动进程图
图2-1 步进电机驱动进程图
2.4.2.步进电机及其驱动器的选型
本设计中采用的的机械手，对其动力源——步进电机的选型主要考虑的方面是电机的尺寸是否能够安装到机械手上，在能安装到机械手上的前提下，尽量选择大功率电机使机械手带负载能力增强，所以本文选择的步进电机以及驱动器分别是DM4250E型和DMD402A型
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2.4.3步进电机驱动器与PLC连接示意图
图2-2
图2-3
本机械手PLC的输出+24V经A2（图2-3）的电阻限流后送驱动器的输入。Q0.0高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（PUL+)；QO.2高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（DIR+)；Q0.1高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（PUL+)；QO.2高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（DIR+)（图2-2）.驱动器输入端PUL-和DIR-接24V的负端。
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