气动机械手控制系统设计
基于PLC的气动机械手控制系统设计
第3期（总第411期）2024年3月农业技术与装备AGRICULTURAL TECHNOLOGY&EQUIPMENT No.3基于PLC的气动机械手控制系统设计朱静（江苏省靖江中等专业学校，江苏靖江214500）摘要在工业领域中，气动机械手是很重要的设备，随着科技发展气动机械手有了越来越先进的控制系统。
以PLC的气动机械手控制系统设计为研究内容，分析了PLC气动机械手控制系统的需求，从PLC技术原理出发，设计了气动机械手控制系统，旨在为我国的工业领域发展提供有力支持。
关键词PLC；气动机械手；控制系统中图分类号TP241文献标志码A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2024.03.009Design of Pneumatic Manipulator Control System Based on PLCZhu Jing(Jiangsu Jingjiang Secondary Specialized School,Jingjiang214500,Jiangsu,China)Abstract：In the industrial field,pneumatic manipulator is a very important equipment,with the development of science and technol‐ogy,pneumatic manipulator has more and more advanced control system.Based on the design of PLC pneumatic manipulator control system,this paper analyzed the demand of PLC pneumatic manipulator control system,and designed the pneumatic manipulator con‐trol system from the principle of PLC technology,in order to provide strong support for the development of China's industrial field. Key words：PLC;pneumatic robotic arm;control system气动机械手依靠气压转动完成机械手操作，寿命长，结构简单、动作可靠迅速，在工业领域中较常见。
《2024年基于PLC的气动机械手控制系统设计》范文
《基于PLC的气动机械手控制系统设计》篇一一、引言随着工业自动化程度的不断提高，气动机械手在工业生产线上扮演着越来越重要的角色。
为了提高机械手的控制精度、稳定性和可靠性，基于PLC的气动机械手控制系统设计成为了当前研究的热点。
本文将详细介绍基于PLC的气动机械手控制系统的设计原理、方法及实施过程。
二、系统设计目标本系统设计的主要目标是实现气动机械手的自动化控制，提高生产效率，降低人工操作成本。
具体包括以下几个方面：1. 提高机械手的控制精度和稳定性；2. 实现机械手的自动化操作，减少人工干预；3. 具备较高的可靠性和抗干扰能力；4. 具备灵活的扩展性和可维护性。
三、系统设计原理基于PLC的气动机械手控制系统主要由PLC控制器、气动执行机构、传感器及辅助设备等组成。
其中，PLC控制器作为核心部件，负责接收上位机的指令，控制气动执行机构的动作，同时监测传感器的状态，实现机械手的自动化控制。
四、硬件设计1. PLC控制器：选用高性能的PLC控制器，具备较高的处理速度和稳定性。
根据机械手的动作需求，配置相应的输入/输出端口。
2. 气动执行机构：包括气缸、气阀等，负责实现机械手的抓取、移动等动作。
3. 传感器：包括位置传感器、压力传感器等，用于监测机械手的状态，为PLC控制器提供反馈信号。
4. 辅助设备：包括电源、通信接口等，为系统提供必要的支持和保障。
五、软件设计1. 编程语言：采用结构化文本、梯形图、功能块图等编程语言，实现PLC控制器的逻辑控制功能。
2. 程序设计：根据机械手的动作需求，编写相应的程序，实现抓取、移动、停止等动作的控制。
同时，通过传感器反馈的状态信息，实现机械手的闭环控制。
3. 通信协议：与上位机通信，实现数据的传输和指令的下达。
六、系统实施1. 安装与调试：按照硬件设计图，将各部件安装到指定位置，并进行调试，确保各部件正常工作。
2. 编程与测试：根据程序设计要求，编写相应的程序，并进行测试，确保程序正确无误。
气动机械手PLC控制系统设计
（一）PLC机械手的原理及流程图——————————————————4
（二）电路中主要元器件的绍———————————————————5
1电器继电器的原理及应用———————————————————5
2电磁阀的工作原理及应用———————————————————5
3)其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
4)编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
5．机械手开始右旋，状态开关动作，抓紧动作结束，机械手开始下降。
6．机械手下升到下降位置，状态开关动作，下降动作结束，机械手开始后退。
7．机械手右旋到右限位置，状态开关动作，右旋动作结束，机械手开始下降。
8．机械手后退到后退位置，机械手开始放松，一个工作循环过程完毕。
9．机械手的工作方式为：单步。
机械手的动作顺序如下：机械手初始位置是后退、下降、逆时针旋转均到底部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手开始前进，前进到底碰到限位开关，前进动作停止，机械手开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手开始执行顺时针旋转动作，顺时针旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行逆时针旋转，逆时针旋转到底，碰到限位开关，逆时针旋转动作停止，机械手开始下降，下降到底部时，碰到限位开关，下降动作停止，机械手执行后退动作，碰到限位开关，后退停止，机械手放松，此时回到初始位置，一个周期动作完成。根据机械手的动作顺序，可以画出如图2.1所示的流程图：
基于plc气动机械手控制系统设计
目录第1章引言 (1)1.1气动机械手的控制要求 (1)1.2气动机械手的工作方式 (1)1.3系统流程图 (2)第2章 PLC控制系统的设计 (3)2.1气动机械手的硬件系统设计 (3)2.1.1气动机械手的硬件系统 (3)2.1.2电器元件的选择 (3)2.2气动机械手的软件结构设计 (4)2.2.1 PLC的I/O地址分配 (4)2.2.2 PLC的外部接线图 (5)2.3程序设计及梯形图 (6)2.3.1 程序设计说明 (6)2.3.2 程序梯形图 (7)总结 (16)附录 (17)参考文献 (22)摘要机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。
气动机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下，能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置。
在工业生产中，利用气动机械手将工件从一条生产线搬运到另一条生产线是一种高效的工作方式。
因此采用PLC可编程控制器作为工件抓取机械手的控制系统，根据机械手的控制要求和所能实现的操作功能，设置动作流程，分配输入输出接点，按所需来选PLC的型号，接着进行梯形图的编辑，最后进行程序的编辑与调试，从而使机械手能够完成符合设计要求的动作。
关键词：机械手可编程控制器 PLC 控制设计第1章引言1.1气动机械手的控制要求1、气动机械手的升降和左右移动分别由不同的双线圈电磁阀实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向德线圈才能反向运动。
2、上升、下降的电磁阀线圈分别为YV1、YV2；右行、左行的电磁阀线圈为YV3、YV4；3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀YV5来实现，线圈通电夹紧，断电松开；4、机械手的夹钳的松开，夹紧通过延时1.7s实现；5、机械手的限位由行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4来实现；1.2气动机械手的工作方式系统设有手动、单周期、连续、单步和回原点五种工作方式（如图1-1）。
气动机械手控制系统设计
气动机械手控制系统设计气动机械手是一种应用气动技术的机械手执行器，通过气动元件驱动来实现抓取、搬运、装配等动作。
气动机械手控制系统设计是指设计控制气动机械手运动的电气、电子、液压等各种控制设备和控制方式。
本文将从气动机械手的工作原理、控制系统的设计要点和实现方法三方面进行详细介绍。
一、气动机械手的工作原理具体来说，气源通常会提供一定的压力，一般使用压缩空气。
气控元件包括气缸、气阀等，用于对压缩空气进行控制，如控制气缸的进气和排气，实现气缸的伸缩和运动方向的改变。
而工作执行器则是机械手的关键组成部分，它是气缸和机械手夹具的组合，通过气缸的控制，实现机械手的抓取、搬运等动作。
二、气动机械手控制系统设计要点1.选择合适的气源和气控元件：在设计气动机械手控制系统时，需要根据机械手的负载要求选择合适的气源和气控元件。
气源的压力和流量要满足机械手的工作需求，而气控元件的类型和数量要根据机械手的动作来确定。
2.设计合理的控制回路：气动机械手的控制回路包括气源控制回路和气缸控制回路。
气源控制回路主要控制气源的启动和停止，而气缸控制回路则控制气缸的进气和排气，实现机械手的运动。
控制回路的设计要合理布置元件，使其在工作过程中能够有序工作，减少能量损失。
3.合理安排气缸的布局：气缸的布局对机械手的工作效果有很大影响。
在布置气缸时，需要考虑机械手的工作空间、抓取点的位置和安全性等因素，尽量将气缸设在合适的位置，以提高机械手的工作效率和稳定性。
三、气动机械手控制系统的实现方法1.纯气动控制：纯气动控制是指完全依靠气源和气控元件来控制机械手的运动。
这种控制方式结构简单，控制精度较低，主要适用于对动作精度要求不高的场合。
2.气动与电气联合控制：在气动机械手的控制系统中，可以结合电气元件和电气控制方式，与气动元件共同控制机械手的运动。
在这种控制方式下，电气元件可用于控制气控元件的工作，提高气动机械手的控制精度。
3.PLC控制：PLC控制是指使用可编程序控制器(PLC)对气动机械手进行控制。
基于PLC的气动机械手控制系统设计
基于PLC的气动机械手控制系统设计一、本文概述随着工业自动化技术的飞速发展，气动机械手作为实现生产自动化、提高生产效率的重要工具，在各个领域得到了广泛应用。
基于可编程逻辑控制器（PLC）的气动机械手控制系统，以其稳定可靠、易于编程和维护的特性，成为当前研究的热点之一。
本文旨在探讨基于PLC 的气动机械手控制系统的设计方法，包括系统构成、硬件选择、软件编程以及调试与优化等方面，以期为我国工业自动化领域的发展提供参考和借鉴。
本文将简要介绍气动机械手及其控制系统的基本原理和特点，为后续的设计工作奠定理论基础。
将详细阐述PLC在气动机械手控制系统中的应用优势，包括其可靠性、灵活性以及扩展性等方面的优势。
在此基础上，本文将深入探讨基于PLC的气动机械手控制系统的设计方法，包括系统架构的设计、硬件设备的选择、软件编程的实现以及系统调试与优化等方面。
本文将总结基于PLC的气动机械手控制系统的设计要点和注意事项，为相关工程实践提供指导和借鉴。
通过本文的研究，旨在为我国工业自动化领域的发展提供新的思路和方法，推动气动机械手控制系统的技术进步和应用推广。
也期望本文的研究成果能对相关领域的学者和工程师产生一定的启示和借鉴作用，共同推动工业自动化技术的发展和创新。
二、气动机械手控制系统概述气动机械手控制系统是以可编程逻辑控制器（PLC）为核心，结合气动执行元件、传感器以及相应的控制逻辑，实现对机械手的精确控制。
该系统结合了气动技术的快速响应和PLC的灵活编程特性，使得机械手的动作更加准确、迅速且易于调整。
PLC控制器：作为整个控制系统的核心，PLC负责接收和处理来自传感器的信号，根据预设的程序逻辑，控制气动执行元件的动作。
PLC 具有高度的可靠性和稳定性，能够适应各种复杂的工作环境。
气动执行元件：包括气缸、气阀和气压调节器等。
气缸是实现机械手抓取、移动等动作的主要执行机构；气阀用于控制气缸的运动方向和速度；气压调节器则用于调节气缸的工作压力，以保证机械手的稳定性和精确性。
气动机械手控制系统设计分析
气动机械手控制系统设计分析气动机械手是一种用气压作为动力源的机械手臂，主要应用于工业自动化制造中的装配、夹取等工作。
气动机械手控制系统是机械手操作的重要组成部分，本文将从气动机械手控制系统设计分析的角度，对气动机械手控制系统相关问题进行分析。
一、气动机械手控制原理气动机械手的控制原理是通过空气压力驱动气缸活塞，改变气缸活塞的位置从而实现机械手臂的运动。
气动机械手控制系统一般由执行机构、感应元件、控制器、传感器等组成，其中最重要的部分就是控制器。
在气动机械手控制系统中，控制器是独立的微型计算机，其主要功能是根据操作者的设定来计算控制信号并形成控制指令，同时控制器还负责接收传感器的信号，控制气缸的开闭以及控制气压的大小等。
控制器一般使用PLC（可编程逻辑控制器）或PC（个人计算机）等。
二、气动机械手控制系统设计1、控制器选型气动机械手控制系统设计的一个重要因素是选择控制器类型。
可编程逻辑控制器（PLC）是主要的控制器类型之一，它是一种基于电子技术的智能控制器，具有可编程性和可扩展性特点。
PLC的应用是非常广泛的，它可以用于机器人、制造业、自动化系统等领域。
另外，个人计算机（PC）也可以作为气动机械手控制器。
相比PLC，PC的可编程性更强，其控制功能也更加灵活。
不过，PC在可靠性和实时性方面相对较弱，其控制系统需要通过编写控制软件或使用现有的控制程序来实现。
因此，在实际应用中需要根据具体的控制要求和性能要求来选择控制器类型。
2、传感器选型在气动机械手控制系统中，传感器是非常重要的部分，它能够实现机械手运动的持续监测和位置检测。
传感器的选型应该根据需求进行，有以下几种常用传感器：（1）接触式传感器：可以感知物体的接触情况，通常用于检测机械手夹持物体的情况。
（2）光电传感器：可以感知物体的存在和位置，通常用于检测工件的位置和方向。
（3）压力传感器：可以感知气压变化，通常用于检测气缸的工作状态。
（4）编码器：可以检测机械手的位置和方向，通常用于机械手的导航。
气动机械手plc设计
系统扩展性考虑
模块化设计
将系统划分为多个模块，便于未来功能扩展和升级。
预留接口
在设计时预留外部接口，以便未来与其他设备或系统进行集成。
可扩展的存储和计算能力
考虑未来数据处理需求的增长，设计可扩展的存储和计算架构。
06 案例分析
案例一
总结词：成功应用
详细描述
PLC采用可编程的存储器，用于存储程序、数据和参数等信 息，并通过输入/输出接口与外部设备进行通信。它能够按照 程序逻辑执行控制任务，具有高度的可靠性和灵活性，广泛 应用于工业自动化领域。
PLC的工作原理
总结词
PLC的工作原理包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。在输入采样阶段，PLC读取输入信号的状态并将 其存储在输入映像寄存器中；在程序执行阶段，PLC按照用户程序的顺序执行指令，并更新内部寄存器的值；在 输出刷新阶段，PLC将输出映像寄存器的状态输出到输出模块，驱动外部负载。
优化程序
根据调试结果，对程序进行优化，提高机械手的控制 性能和稳定性。
04
气动机械手PLC控制系统的 实现
系统硬件配置
控制器
气动元件
选择一款高性能的PLC控制 器，如西门子S7-300或欧 姆龙CP1H系列，以满足气
动机械手的控制需求。
01
02
根据气动机械手的动作要求 ，选择适当的气动元件，如 气缸、电磁阀、气源处理元
控制系统
控制系统是气动机械手的核心部分，通过PLC（可编程逻辑控 制器）对机械手的运动进行控制，实现各种动作的精确控制和 协调。
传感器
传感器用于检测机械手的运动状态和位置，将信号反馈给控 制系统，以便实现精确控制。
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X20
输出端子 名称
机械手下降 夹紧/松开 机械手上升 机械手右移 机械手左移 原点指示灯
代号
YV3 YV5 YV4 YV1 YV2 L1
端子编号
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5
2.PLC外部接线图
根据对机械手的输 入输出信号的分析以及 所选的外部输入设备的 类型及PLC的机型，设 计机械手PLC控制外部 接线如图 8-63所示 。
（2）“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件， 需要1个输入端子；
（3）“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期、 和连续4种工作方式，需要4个输入端子；
三、确定输入输出点数并选择PLC
1.输入信号
输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给 PLC。PLC的输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输 入端子。具体分配如下：
3.控制要求
（3）单周期工作方式
按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动 完成一个周期的动作，返回原点后停止 。
（4）连续工作方式
按下启动按钮，机械手从原点开始按工序自动反 复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停 机。或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作 方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返 回原点自动停机 。
图8-63 机械手PLC控制外部接线图
五、控制程序设计
1.总体设计
（1）设计思想
该机械手控制程序较复杂，运用模块化设 计思想，采用“化整为零”的方法，将机械手控 制程序分为:公共程序、手动程序和自动程序， 分别编出这些程序段后，在“积零为整”，用条 件跳转指令进行选择，用这种设计思想设计的控 制程序运行效率高，可读性好。
暂时等待。为此设置了一只光电开光，以检测“无工件”信号 。
3.控制要求
（1）手动工作方式
利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如， 按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机 械手上升。用手动操作可以使机械手置于原位，还便 于维修时机械手的调整；
（2）单步工作方式
从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一 下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。
（1）当电磁阀YV1通电时，机械手悬臂右移； （2）当电磁阀YV1失电时，悬臂停止右移； （3）当电磁阀YV2通电时，机械手悬臂左移； （4）当电磁阀YV2失电时，悬臂停止左移；
2.机械手垂直部分运动控制
当电磁阀YV3通电时，机械手下降； 当电磁阀YV3失电时，机械手停止下降； 当电磁阀YV4通电时，机械手上升； 当电磁阀YV4失电时，机械手停止上升；
根据以上控制要求，操作台面板布置示意图如图8-61
图8-61 机械手操作台面板布置示意图
二、机械手气动驱动原理
机械手的气动驱动系统是驱动执行机构运动的传送装置，主 要实现机械手垂直、水平和手爪的夹紧动作。气动系统工作原理 如图8-62所示：
图8-62 气动系统工作原理图
1.机械手水平部分运动控制
3.PLC的选择
如果功能上再无其他特殊要求， 则有多种型号的PLC可选用，此处选 用FX2N-48MR。FX2N-48MR共有输入24 点，输出24点，继电器输出。
四、I/O地址分配及PLC外部接线图
1. I/O地址分配表
输入端子 名称
启动按钮 下降限位 上升限位 右移限位 左移限位 无工件检测 停止按钮
（4）手动操作时，需要有下降、上升、右移、左 移、夹紧、放松6个按钮，也需要6个输入 端子；
（5）自动工作时，尚需起动按钮、停止按钮，也 需占2个输入端子。以上共需17个输入信号 点。
2.输出信号
PLC的输出信号用来控制机械手的下 降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀 线圈，需要5个输出点；
机械手从原点开始工作，需要有1 个原点指示灯，也要占用1个输出点。所 以，至少需要6个输出信号点。
（2）主控程序
系统运行时首先执行公共 程序，然后当选择手动工作方 式（手动，单步）时X007或者 X010接通并跳至手动程序执行； 当选择自动工作方式(单周期， 连续时)时X007，X010断开， 而X011或X010断开，而X011或 X012接通则跳至自动程序执行。
工作方式选择转换开关 采取机械互锁，因而此程序 中手动程序中和自动程序可 采用互锁，也可以不互锁。 机械手的主控制程序如图864所示：
1 将依次完成下降—夹紧—上升—右移—再下降—放松— 再上升—左移八个动作。
机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相
2
应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时
间来控制的 。
3
为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才 能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动
3.气爪控制
(1)当电磁阀YV5通电时，气爪夹紧； (2)当电磁阀YV5失电时，气爪松开；
三、确定输入输出点数并选择PLC
1.输入信号
输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给 PLC。PLC的输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输 入端子。具体分配如下：
（1）位置检测信号有下限、上限、右限、左限共4个行 程开关，需要4个输入端子；
代号
SB1 ST1 ST2 ST3 ST4 SQ SB2
端子编号
X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6
手动模式
S11
X7
单步模式
S12
X10
单周期模式
S13
X11
连续操作模式 S14
X12
下降按钮
SB3
X13
上升按钮
SB4
X14
右移按钮
SB5
X15左移按钮ຫໍສະໝຸດ SB6X16夹紧按钮
SB7
X17
松开按钮
SB8
一、机械手的工作过程与控制要求
1.机械手概况
搬运机械手将工件从左工作台搬往右工作台，机 械手的结构和各部分动作的示意图如图8-59所示：
图8-59 机械手工作过程示意图
1
机械手所有的动作均由气压驱动。
它的上升与下降、左移与右移等动作均由二位五通双控电
2
磁换向阀控制，即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电 磁阀断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁阀通电时，机
械手才上升。
机械手的夹紧和放松用一个二位五通单控电磁换
3 向阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松 。
2.机械手的工作过程
机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如 图8-60所示：
图8-60 机械手动作顺序和检测元件、执行元件布置示意图
机械手的初始位置停在原点，按下起动按钮后，机械手