基于西门子PLC技术的机械手控制系统设计
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1.2 机械手的工作过程 工作开始时，先按下“复位” 按钮，机械手开始复位到初始位置，等待响应。在传送带将 物料运行到位时，机械手开始工作，此时导杆气缸驱动机 械手下降，运行到下限位，2s 后机械手抓紧物料，夹紧后 机械手上升，同时 3s 后旋转气缸将机械手旋转到物料箱 指定位置的上方，旋转到位后，等待 2s 下降，下降到位后 机械手松开物料，完全放开后机械手上升，上升到位后，旋 转气缸驱动机械手旋转到初始位置，为下一物料的抓取做 准备。
· 52 ·
价值工程
手手臂上升，同时旋转返回原位，等待下一个物料，重复上 面的动作。其中：①磁性传感器：用于气缸的位置检测，当 检测到气缸准确到位后将给 PLC 传送一个到位信号。② 气动手爪：该机构配合使用磁性传感器，由单向电控气动 阀控制其完成物料的夹紧与放松两动作。③导杆气缸：完 成带动气动手爪的上升和下降，其上限位与下限位由磁性 传感器感应发送给 PLC 一信号，进而控制单向电控气动 阀来执行导杆气缸运行的上下位置；④旋转气缸：控制机 械手的旋转，由单向电控气动阀控制。
中 图 分 类 号 ：TP241
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1006-4311（2014）21-0051-02
0 引言 机械手在机械制造业中应用较多，发展也快。目前主 要用于自动化生产线、机床、焊接以及注塑模具的产品抓 取等，它依照设计的作业程序完成规定的操作。同时，随着 电子技术的飞速发展，机械手的小型化，微型化的实现，使 机械手的应用领域逐渐扩展到机器人、电子信息及生物技 术等高端产业。 PLC 技术作为一项发展较为成熟的控制技术，在自动 化控制领域应用广泛，其具有体积小、功能完善、适应性 强、易于编程及可靠性高等优点；气动技术是以空气为介 质，并将其作为动力源驱动执行元件完成一定的运动规律 的应用技术，其具有易控制、污染小等优点，在工业生产中 应用十分广泛。本文根据某公司的生产线物料抓取人需人 — —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— ——
5 结语 本文基于负压吸附原理，进行了简易自动翻书机的翻 页系总体设计，通过负压系统，传动系统以及电控系统的 设计实现了语音控制翻书动作，且设计可靠性高，价格低
廉，具有一定的实际意义。
参考文献： [1]Michael Donald Banks,Page turner, 美国,US7750226 B2[P], 2010 年 7 月 6 日. [2]宜亚丽,武岳,赵三猛,吕国国.全自动可调式翻页机构设计 [J].机械研究与应用,2011（06）：80-81. [3]董美云,李培行.脚踏式翻书机构的设计及运动仿真[J].大 连交通大学学报,2010（02）：24-27. [4]Sommer-automatic 公司,真空吸盘系统的完整模块[J].现代 制造,2009（4）：46-47. [5]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究[D].昆明理工大学, 2009. [6]范增良.刚性真空吸盘拾取性能的研究[D].江南大学,2012. [7]陈峰华.adams2012 虚拟样机技术从入门到精通[M].北京： 清华大学出版社,2013. [8]邱阿瑞.现代电力传动与控制[M].北京：电子工业出版社, 2004. [9]郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程—— —入门、提高、开 发、拓展（附光盘）[M].北京：电子工业出版社,2009.
旋 转 气 缸 电 磁 阀
Q0.5
升 降 气 缸 电 磁 阀
Q0.6
气 动 手 爪 电 磁 阀
Q0.7
+24v
S7-200 CPU2260N DC/DC/RELAY
I0.2 I0.5
I0.6
I1.1
I1.2
I1.3
升
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
旋
旋
启
停
复
转
转
动
止
位
原
到
按
按
按
位
位
钮
钮
钮
传
传
感
感
器
器
降 气 缸 下 限 位 传 感
器
图 3 输入/输出外接线路图
根据生产线的工作控制要求，配合使用传感器进行位 置检测，将反馈信号传递给 CPU，进而完成气动机械手的 准确定位。表 1 为程序设计前的 I/O 地址分配表。
速度控制阀
AB
R PS
单电控二位五通阀
AB R PS
速度控制阀 单电控二位五通阀
表 1 I/O 地址分配表
序 PLC
作 者 简 介 ：彭一航（1985-），男，山东菏泽人，硕士，教师，主要从事 电气自动化方面的研究。
工的现状，进行自动抓取机械手设计，重点围绕气动装置
及 PLC 控制程序设计进行介绍。
1 气动机械手的工作原理
1.1 主要组成与功能 机械手搬运单元主要由气动手
爪、导杆气缸、旋转气缸、电磁阀等组成，如图 1 所示。在生
机械手臂升降气缸
气动手爪
3 PLC 控制系统设计 PLC 作为机械手搬运单元的主控器，具有易编程，结 构简单及可靠性高等特点，输入点接收整个搬运单元的输 入信号，输出端连接驱动负载，进而控制执行机构。本设计 选用西门子 CPU226CN DC/DC 型 PLC，CPU 供电电压为 24V，如图 3 所示为输入/输出外接线路图。
4.2 软件设计 控制部分的硬件设计需要搭配对应的 控制程序设计，程序主要包括初始化部分，以及一个不断 接受和执行控制命令的循环体。在整个翻书机系统中使用 了两个等功率的电机及一个真空泵。电机 1 控制吸盘杆， 电机 2 控制翻书棒。真空泵作为吸盘的真空源。对控制器 完成初始化之后，语音模块将语音信息通过无线模块发送 给控制节点，控制节点开启气泵，启动电机 1，吸盘下降， 当成功吸附到书页时，气泵的工作电流会发生变化，通过 对电流的的变化信息分析，识别吸附状态，之后反转电机 1，吸盘上升，当上升预定距离后，电机 2 开始运动，带动翻 书棒运动，与此同时气泵停止工作，当翻书棒成功将书页 翻转后，电机 2 反转，翻书棒回到预定位置，动作全部完成 后，等待接收第二次命令。
been used by more and more enterprises. According to the present situation that traditional production line needs artificial material
handling, a programmable controller is designed, which uses a cylinder to drive the manipulator to realize automatic production. In the
产过程中主要完成下
1
列动作：当物料经皮
带运送到抓取位置
2
时，气动机械手手臂 4
下降，气动手爪夹紧
物料，然后机械手手
3
臂上升，并旋转到物
料 箱 上 方 指 定 位 ，机
械手手臂下降，气动 1.导杆气缸；2.磁性传感器；3.旋转气缸；
手爪释放将物料放入 4.气动手爪.
物料箱内，最后机械
图 1 机械手搬运单元
号 地址 1 I0.2
功能说明 启动按钮
PLC 序号
地址 8 Q0.5
2 I0.5 3 I0.6
停止按钮 复位按钮
9 Q0.6 10 Q0.7
4 I1.1
旋转原位传感器
5 I1.2 旋转缸到位传感器
6 I1.3 升降气缸下限位传感器
7 I1.4 气动手爪夹紧限位传感器
功能说明
旋转气缸电磁阀 升降气缸电磁阀 气动手爪电磁阀
摘要： 气动机械手具有结构简单，定位精度高，价格低廉等特点，逐渐被越来越多的企业所使用。本文根据公司传统生产线需人
工进行物料抓取的现状，设计一种由可编程控制器控制、用气缸驱动的机械手来实现生产线的自动化生产。在设计过程中，重点介绍
了机械手的气动装置和 PLC 控制系统的设计。
Abstract: Pneumatic manipulator has the advantages of simple structure, high precision, low price and other characteristics, and has
design process, the paper mainly introduces the design of pneumatic manipulator device and PLC control system.
关键词： 机械手；气缸；PLC
Key words: manipulator；cylinder；PLC
2 气动装置设计 本单元的机械手的搬运动作选择通过气缸进行驱动， 因此可以将气缸的气动控制回路作为本单元的执行机构， 然后通过 PLC 实现其机构的逻辑控制功能。气缸的正确 运动推动物料到达相应的位置，只要交换进、出气的方向 （由单控电磁阀实现）就能改变气缸的伸出、缩回运动，气 缸两侧的磁性开关用于检测气缸是否已经运动到位。如图 2 为气缸气动控制回路示意图。手爪作为抓取物料的执行 机构，其动作由单控电磁阀控制。当电磁阀得电，气动手爪 夹紧；当单控气阀断电后气动手爪张开。
旋转气缸
速度控制阀 AB R PS
单电控二位五通阀
图 2 气缸气动控制回路示意图
最后根据生产线的控制要求及 I/O 地址分配表完成 PLC 控制机械手运行程序的设计。
4 总结 通过将原生产线生产流程改为由 PLC 控制的气动机 械手进行生产线的物料抓取，大大提高了公司的生产效 率，同时大量生产工人的减少投入，降低了生产成本的投 入，从而真正实现了生产线的自动化生产。
Value Engineering
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基于西门子 PLC 技术的机械手控制系统设计
The Design of Manipulator Control System Based on Siemens PLC Technology
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价值工程
手手臂上升，同时旋转返回原位，等待下一个物料，重复上 面的动作。其中：①磁性传感器：用于气缸的位置检测，当 检测到气缸准确到位后将给 PLC 传送一个到位信号。② 气动手爪：该机构配合使用磁性传感器，由单向电控气动 阀控制其完成物料的夹紧与放松两动作。③导杆气缸：完 成带动气动手爪的上升和下降，其上限位与下限位由磁性 传感器感应发送给 PLC 一信号，进而控制单向电控气动 阀来执行导杆气缸运行的上下位置；④旋转气缸：控制机 械手的旋转，由单向电控气动阀控制。
中 图 分 类 号 ：TP241
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1006-4311（2014）21-0051-02
0 引言 机械手在机械制造业中应用较多，发展也快。目前主 要用于自动化生产线、机床、焊接以及注塑模具的产品抓 取等，它依照设计的作业程序完成规定的操作。同时，随着 电子技术的飞速发展，机械手的小型化，微型化的实现，使 机械手的应用领域逐渐扩展到机器人、电子信息及生物技 术等高端产业。 PLC 技术作为一项发展较为成熟的控制技术，在自动 化控制领域应用广泛，其具有体积小、功能完善、适应性 强、易于编程及可靠性高等优点；气动技术是以空气为介 质，并将其作为动力源驱动执行元件完成一定的运动规律 的应用技术，其具有易控制、污染小等优点，在工业生产中 应用十分广泛。本文根据某公司的生产线物料抓取人需人 — —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— ——
5 结语 本文基于负压吸附原理，进行了简易自动翻书机的翻 页系总体设计，通过负压系统，传动系统以及电控系统的 设计实现了语音控制翻书动作，且设计可靠性高，价格低
廉，具有一定的实际意义。
参考文献： [1]Michael Donald Banks,Page turner, 美国,US7750226 B2[P], 2010 年 7 月 6 日. [2]宜亚丽,武岳,赵三猛,吕国国.全自动可调式翻页机构设计 [J].机械研究与应用,2011（06）：80-81. [3]董美云,李培行.脚踏式翻书机构的设计及运动仿真[J].大 连交通大学学报,2010（02）：24-27. [4]Sommer-automatic 公司,真空吸盘系统的完整模块[J].现代 制造,2009（4）：46-47. [5]赵艳妮.多唇边式真空吸盘的设计研究[D].昆明理工大学, 2009. [6]范增良.刚性真空吸盘拾取性能的研究[D].江南大学,2012. [7]陈峰华.adams2012 虚拟样机技术从入门到精通[M].北京： 清华大学出版社,2013. [8]邱阿瑞.现代电力传动与控制[M].北京：电子工业出版社, 2004. [9]郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程—— —入门、提高、开 发、拓展（附光盘）[M].北京：电子工业出版社,2009.
旋 转 气 缸 电 磁 阀
Q0.5
升 降 气 缸 电 磁 阀
Q0.6
气 动 手 爪 电 磁 阀
Q0.7
+24v
S7-200 CPU2260N DC/DC/RELAY
I0.2 I0.5
I0.6
I1.1
I1.2
I1.3
升
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
旋
旋
启
停
复
转
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动
止
位
原
到
按
按
按
位
位
钮
钮
钮
传
传
感
感
器
器
降 气 缸 下 限 位 传 感
器
图 3 输入/输出外接线路图
根据生产线的工作控制要求，配合使用传感器进行位 置检测，将反馈信号传递给 CPU，进而完成气动机械手的 准确定位。表 1 为程序设计前的 I/O 地址分配表。
速度控制阀
AB
R PS
单电控二位五通阀
AB R PS
速度控制阀 单电控二位五通阀
表 1 I/O 地址分配表
序 PLC
作 者 简 介 ：彭一航（1985-），男，山东菏泽人，硕士，教师，主要从事 电气自动化方面的研究。
工的现状，进行自动抓取机械手设计，重点围绕气动装置
及 PLC 控制程序设计进行介绍。
1 气动机械手的工作原理
1.1 主要组成与功能 机械手搬运单元主要由气动手
爪、导杆气缸、旋转气缸、电磁阀等组成，如图 1 所示。在生
机械手臂升降气缸
气动手爪
3 PLC 控制系统设计 PLC 作为机械手搬运单元的主控器，具有易编程，结 构简单及可靠性高等特点，输入点接收整个搬运单元的输 入信号，输出端连接驱动负载，进而控制执行机构。本设计 选用西门子 CPU226CN DC/DC 型 PLC，CPU 供电电压为 24V，如图 3 所示为输入/输出外接线路图。
4.2 软件设计 控制部分的硬件设计需要搭配对应的 控制程序设计，程序主要包括初始化部分，以及一个不断 接受和执行控制命令的循环体。在整个翻书机系统中使用 了两个等功率的电机及一个真空泵。电机 1 控制吸盘杆， 电机 2 控制翻书棒。真空泵作为吸盘的真空源。对控制器 完成初始化之后，语音模块将语音信息通过无线模块发送 给控制节点，控制节点开启气泵，启动电机 1，吸盘下降， 当成功吸附到书页时，气泵的工作电流会发生变化，通过 对电流的的变化信息分析，识别吸附状态，之后反转电机 1，吸盘上升，当上升预定距离后，电机 2 开始运动，带动翻 书棒运动，与此同时气泵停止工作，当翻书棒成功将书页 翻转后，电机 2 反转，翻书棒回到预定位置，动作全部完成 后，等待接收第二次命令。
been used by more and more enterprises. According to the present situation that traditional production line needs artificial material
handling, a programmable controller is designed, which uses a cylinder to drive the manipulator to realize automatic production. In the
产过程中主要完成下
1
列动作：当物料经皮
带运送到抓取位置
2
时，气动机械手手臂 4
下降，气动手爪夹紧
物料，然后机械手手
3
臂上升，并旋转到物
料 箱 上 方 指 定 位 ，机
械手手臂下降，气动 1.导杆气缸；2.磁性传感器；3.旋转气缸；
手爪释放将物料放入 4.气动手爪.
物料箱内，最后机械
图 1 机械手搬运单元
号 地址 1 I0.2
功能说明 启动按钮
PLC 序号
地址 8 Q0.5
2 I0.5 3 I0.6
停止按钮 复位按钮
9 Q0.6 10 Q0.7
4 I1.1
旋转原位传感器
5 I1.2 旋转缸到位传感器
6 I1.3 升降气缸下限位传感器
7 I1.4 气动手爪夹紧限位传感器
功能说明
旋转气缸电磁阀 升降气缸电磁阀 气动手爪电磁阀
摘要： 气动机械手具有结构简单，定位精度高，价格低廉等特点，逐渐被越来越多的企业所使用。本文根据公司传统生产线需人
工进行物料抓取的现状，设计一种由可编程控制器控制、用气缸驱动的机械手来实现生产线的自动化生产。在设计过程中，重点介绍
了机械手的气动装置和 PLC 控制系统的设计。
Abstract: Pneumatic manipulator has the advantages of simple structure, high precision, low price and other characteristics, and has
design process, the paper mainly introduces the design of pneumatic manipulator device and PLC control system.
关键词： 机械手；气缸；PLC
Key words: manipulator；cylinder；PLC
2 气动装置设计 本单元的机械手的搬运动作选择通过气缸进行驱动， 因此可以将气缸的气动控制回路作为本单元的执行机构， 然后通过 PLC 实现其机构的逻辑控制功能。气缸的正确 运动推动物料到达相应的位置，只要交换进、出气的方向 （由单控电磁阀实现）就能改变气缸的伸出、缩回运动，气 缸两侧的磁性开关用于检测气缸是否已经运动到位。如图 2 为气缸气动控制回路示意图。手爪作为抓取物料的执行 机构，其动作由单控电磁阀控制。当电磁阀得电，气动手爪 夹紧；当单控气阀断电后气动手爪张开。
旋转气缸
速度控制阀 AB R PS
单电控二位五通阀
图 2 气缸气动控制回路示意图
最后根据生产线的控制要求及 I/O 地址分配表完成 PLC 控制机械手运行程序的设计。
4 总结 通过将原生产线生产流程改为由 PLC 控制的气动机 械手进行生产线的物料抓取，大大提高了公司的生产效 率，同时大量生产工人的减少投入，降低了生产成本的投 入，从而真正实现了生产线的自动化生产。
Value Engineering
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基于西门子 PLC 技术的机械手控制系统设计
The Design of Manipulator Control System Based on Siemens PLC Technology
