基于S7-200PLC的气动控制机械手项目
项目要求：
采用PLC为主组成的控制系统，控制若干个电磁阀，驱动机械手作伸出、下降、抓取工件、上升、缩进、下降、放下工件、上升等动作。
当选择手动调试时，通过各步的开关或按钮操作机械手进行单步的动作。
当选择自动时，按下启动按钮，机械手按BCD拨码开关（两位）设定的循环次数，自动进行上述动作的循环工作，循环工作次数完成，机械手自动停止工作。在自动循环过程中，若按下停止按钮，机械手在完成当前一个循环后停止。 2.4.1 机械手控制方案设计 1. 机械手的基本构成
项目要求机械手实现机械手下降——夹紧工件——机械手上升——机械手前伸——机械手下降——松开工件——机械手上升——机械手后退，共8步。 为此，需要有以压缩空气为动力源的气缸。 （1）控制机械手前伸/后退的气缸。
机械手前伸/后退的气缸水平安装在机械手立柱托架上，该气缸活塞的端头安装升降气缸构件。由双电控电磁阀控制气路来实现机械手前伸/后退。 （2）控制机械手上升/下降的气缸。
升降气缸垂直安装，气缸伸出端向下。该气缸活塞有上升（缩进）到位和下降（伸出）到位两个位置。由双电控电磁阀控制气路来实现升降。 （3）控制机械手对工件夹紧/松开的气缸。
夹紧/松开工件的气缸构件安装在升降气缸活塞的端头。该气缸活塞端头装有夹紧/松开工件的机械爪，由单电控电磁阀控制气路来实现机械爪的夹紧/松开。
图2.4-1 气动控制机械手
2. 控制机械手气路的电磁阀
共使用双电控电磁阀2个、单电控电磁阀1个。各个电磁阀由PLC控制。 （1）控制机械手前伸/后退气缸的电磁阀。
采用双电控电磁阀控制前伸/后退气缸的气路。对控制气缸活塞伸出的电磁阀线圈通电，将使机械手前伸。对控制气缸活塞缩进的电磁阀线圈通电，将使机械手前伸。两者应互锁。 （2）控制机械手上升/下降气缸的电磁阀。
采用双电控电磁阀控制上升/下降气缸的气路。对控制气缸活塞伸出（下降）的电磁阀线圈通电，将使机械手下降。对控制气缸活塞缩进（上升）的电磁阀线圈通电，将使机械
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手上升。两者应互锁。
（3）控制机械手夹紧/松开工件的气缸的电磁阀。
采用单电控电磁阀控制夹紧/松开气缸的气路。对电磁阀线圈通电，将使机械手夹紧工件。对电磁阀线圈断电，将使机械手松开工件。 3. 机械手动作位置检测的机械式磁敏传感器
共使用机械式磁敏传感器5个，作为位置检测。检测信号送PLC输入端。 （1）机械手前伸/后退气缸活塞位置传感器（2个）
安装对应缩进到位和伸出到位的位置传感器。该两个位置之间就是气缸活塞的行程，活塞前伸或后退的速度可在气路中通过对流量阀的调节，达到对执行元件运动速度的控制。 （2）机械手上升/下降气缸活塞位置传感器（2个） 安装对应上升到位和下降到位的位置传感器。 （3）机械手夹紧/松开气缸活塞位置传感器（1个）
夹紧/松开气缸长度短，不便于安装两个位置传感器，而且只要采用一个位置传感器检测夹紧工件到位就可以达到目的。
对于松开工件，就是“夹紧”的否定，即只要对电磁阀线圈断电就执行“松开”动作。随着线圈断电时间的推移，该气缸活塞逐步缩进而松开机械爪，不必检测是否“松开”到位。因而采用定时器控制机械手松开工件的时间，时间到表示已松开工件。 4. 控制命令部分
（1）手动单步/自动循环选择开关
用一个选择开关实现机械手是手动单步动作还是自动多循环动作。当该开关合上时选择为自动多循环动作，由PLC完成控制。当开关断开时选择为手动单步动作，PLC退出控制，由手动开关实现控制。 （2）手动单步时的操作开关
安排在电磁阀控制线路中，对应机械手8步动作，需8个钮子开关。 （3）多循环时的起动/停止
多循环时，用起动按钮起动机械手自动循环工作。为了使机械手能实现完成当前一个循环工作后停止，专门用一个停止按钮。 5. 循环次数设置
自动多循环工作时，通过两个BCD码拨码开关来设置循环次数，PLC控制机械手循环工作。 6. 电源
因为自动多循环工作时，启动、停止按钮的指示灯电源为交流24V，所以需一个变压器，将交流220V降压为交流24V。
为了使PLC和一些元件稳定工作，添加直流24V的稳压电源。 机械手控制系统中的操作开关、按钮及指示灯等都使用安全电压。 为了对元件起到保护作用，在主电路上添加了电源开关和熔断器。 7. 控制方案框图
图2.4-2 机械手控制方案框图
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8. 机械手自动循环控制的方案流程图
初始状态：
机械手处于上升并缩进到位，机械爪张开。
位置传感器：上升到位SQ3=1，缩进到位SQ1=1；
伸出到位SQ2=0，下降到位SQ4=0，夹紧到位SQ5=0。
启动开关机械手SQ4机械手机械手SQ3SQ5机械手在夹紧工件上升 下降初始状态ON(YV3)ON(YV2)ON(YV1-ON)ON SQ1ON机械手 伸出机械手(YV5)缩进 延时(YV4)SQ2ON机械手1.5s机械手SQ3SQ4机械手 上升松开工件下降ON(YV3)(YV1-OFF)ON(YV2)
图2.4-3 机械手控制流程图
2.4.2 机械手控制系统的主要元部件的选择 1．PLC的选定
选择用PLC作为主要控制设备而不用单片机来控制，其原因在于，PLC采用周期循环扫描的工作方式，通过CPU循环扫描并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成控制。PLC的特点在于编程简单，使用方便、控制灵活，程序可变，功能强，便于扩充，性能价格比高，可靠性高，抗干扰能力强，是一种理想的控制系统主控设备。而用单片机一般做成智能控制器或规模很小的控制系统，而且单片机系统的抗干扰能力一直是个难题。所以用PLC作为主要的控制设备。
选择西门子S7-200PLC，其基本单元输入输出共24点，恰好能够满足项目的需要。 2．电磁阀、气缸与传感器的选定
控制机械手动作的动力源采用气源，因而电磁阀与气缸都应在气动器材系列中选择。气缸活塞上都装有磁环，气缸伸出到位和缩进到位都装有磁感应传感器（磁性开关）。 按照本项目的动作要求，进行如下选择：
对应机械手垂直升降，需要控制升降的标准气缸（C-Y59B），双电控二位五通电磁阀（4V120-06）。对应机械手横向伸缩，需要控制伸缩的双杆气缸（D-C73），双电控二位五通电磁阀（4V120-06）。气缸活塞缩进到位和伸出到位的位置传感器都采用CXSM15-100磁性开关，每个气缸需2个（缩进到位和伸出到位各一个）。
对应机械手夹紧松开，需要控制夹紧松开的标准气缸（C-Y59B）和MHZ-10D机械爪组件, 单电控二位5通电磁阀（4V110-06）。机械爪组件抓紧到位的位置传感器采用一个MHZ2-16D磁性开关。 表2.4-1传感器和电磁阀元件表
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