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图1 机械手工作示意图
气动机械手控制系统设计
杨光菊
中国农业大学东区（100083）
E-mail：
brandyyang@163.com摘 要：本文详述了基于PLC的气动机械手控制系统设计，重点介绍了机械手控制系统中的
硬件选择方法、软件的设计过程，以及PLC 控制气动机械手装置的工作原理。
关键词：可编程控制器（PLC）；气动机械手；控制系统。
1. 引 言
随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部
分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代
替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。目前，对机械手的控
制可采用以下几种方式[1]：
1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被
人们所淘汰；
2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设
计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；
3）ＰＬＣ控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣
环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
2. 系统总体设计
2.1 机械手的硬件设计及工作原理
假设机械手操作目标是将
被加工工件从右工作台搬运到
左工作台，如图1所示。机械手
由初始位开始运动，要把右盘处
工件搬到左盘（以下系统的设计
都是以此假设为基础的），机械
手具有伸/缩臂、升/降臂、摆臂、
夹紧、放松等基本功能。
机械手的全部动作由气缸
驱动，气缸由电磁阀控制。电磁
阀由PLC程序控制。对于上升/
下降、伸臂/缩臂、左摆/右摆，
其运动由双线圈两位电磁阀控
制。对于夹紧/放松，机械手的
夹紧/放松由一个单线圈两位置
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图2 控制系统接线图
电磁阀控制，当该线圈通电时,机械手夹紧，该线圈断电时,机械手放松。另外，当红外线光
电开关检测到工件未到位时，步进电机带动放工件的圆盘转一定角度，直到工件到位。
2.2 系统工作方式设计
1）运行方式设计：基于机械手的工作要求，PLC控制系统的运行方式包括自动运行方
式和手动运行方式2种。
2）停止方式设计：考虑到机械手的工作环境，控制系统的停止方式应该包括正常停止、
暂时停止、紧急停止3种。
2.3 机械手控制系统的组成
系统主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是机械手装置，由气缸、
支承装载工件的机构组成。电气部分有检测传感器（6个限位开关，1个光电传感器）、电磁
控制阀(其中3个双线圈电磁阀和1个单线圈电磁阀)，汽缸(3个滑动缸，1个摆动缸)，1个
17HS001型两相混合式步进电机，一个SH-2H042Ma型步进电机驱动器以及多个运行状态指
示灯等。控制部分选用S7-200CPU226可编程控制器。
2.4 控制系统总体接线图
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3. PLC控制系统设计
PLC控制系统主要由硬件和软件两部分组成，以下将分别详细介绍。
3.1 PLC的选型
PLC是用来执行具体的控制，具体的工艺要求和具体的工作环境决定了如何具体选择
PLC的系统配置和I/O模块。一般从PLC的内存容量大小和PLC的CPU最多能支持1/0点数多少
这两个方面来考虑[2]，下面结合本系统来具体介绍PLC的选型过程：
1）PLC所需的I/O点个数
输人信号端:6个检测机械手运动状态的行程开关信号，分别用来控制机械手臂的伸缩极
限、升降极限、摆臂摆动极限， 1个检测工件是否被放置到位的光电开光。7个手动控制的
按钮开关，分别控制上升/下降、伸臂/缩臂、左摆/右摆和夹紧。另外根据系统控制的要求，
需要1个开始和1个停止按钮信号开关，还需要2个控制机械手运行方式的自动/手动按钮开
关。即共有18个输入信号，且均为开关量。
输出信号端:用来驱动三个气缸及夹紧/放松的电磁阀需要7个输出信号，3个用来显示开
始,、手动、自动工作状态的信号指示灯，他们分别用来指示开始、手动、自动按钮的闭合
状态，1个用来显示工件被放置到位的信号指示灯，另外，两相步进电机也有两个输出信号，
即共有13个输出信号。
也就是，本控制系统有18个输入信号，13个输出信号，并考虑到今后调整和扩充，一般
应加上10%~15%的备用量。
2）用户程序存储器容量的估算
用户存储器是由系统数据区和用户程序区组成。由于本系统不需模拟量变换及存储，只
需要18个开关量输入，13个开关量输出，因此可按以下公式估算:输入点数×10+输出点数
×8=18×10+13×8=284字。根据总字数再加上一定的备用量。
因此，需选择输人点的个数>18、输出点个数〉13，存贮器字数〉284的PLC，对PLC的
扫描速度及其它方面无特殊要求。经比较选用SIMENS公司的S7-200CPU226型能较好的满足
要求，它具有24个输入点和16个输出点，其中Q0.0,Q0.1可输出脉冲方便实现步进电机的控
制。
3.2 电源部分
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提
供5V、±12V等直流电源，使PLC能正常工作。
电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对
于模块式PLC有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。本文中的电源
属于上述最后一种情况。
3.3 PLC通道分配表
根据本设计的要求通道可分配如表1。
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表1 通道分配
输入 输出
设备名称 地址号 设备名称 地址号
伸臂行程开关 I0.1 驱动器 （脉冲） Q0.0
缩臂行程开关 I0.2 伸臂 Q0.1
上行程开关 I0.3 缩臂 Q0.2
下行程开关 I0.4 上升 Q0.3
左摆行程开关 I0.5 下降 Q0.4
右摆行程开关 I0.6 左摆 Q0.5
手动按钮 I1.0 右摆 Q0.6
自动按钮 I1.1 夹紧 Q0.7
红外光电开关 I1.2 开始指示灯 Q1.1
启动按钮 I1.3 手动指示灯 Q1.2
停止按钮 I1.4 自动指示灯 Q1.3
手动上升按钮 I2.0 工件到位指示Q1.4
手动下降按钮 I2.1
手动伸臂按钮 I2.2
手动缩臂按钮 I2.3
手动夹紧按钮 I2.4
手动左摆按钮 I2.5
手动右摆按钮 I2.6
3.4 PLC控制系统的软件设计
3.4.1 编程软件
系统采用STEP7—Micro/WIN32编程软件进行编程。它是西门子公司专门为S7-200系列
可编程控制器设计开发的。
3.4.2 程序的编制
由于本控制系统为开关量的顺序控制，本文采用逻辑流程图设计程序。
程序由主程序和三个子程组成主程序实现系统初始化、检测、判断，三个子程序分别实
现手动、自动控制和脉冲输出带动步进电机的控制。本文将重点介绍住程序和自动方式控制
子程序。
整个程序从主程序开始，通过主程序调用其它子程序。主程序流程图如图3所示。
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原位
伸臂行程开关
伸臂
下降行程开关 下降夹
上升行程开关 上升
计时器 延时
缩臂行程开缩臂
摆臂行程开关 左摆臂 伸臂 伸臂行程开关
下降松下降行程开关
上升 上升行程开关
缩臂 缩臂行程开关
右摆臂 摆臂行程开关
图4 自动方式控制子程序
调自动子程序
主程序开
PLC 初始化
Y 故障检测
手动/自动
N
调手动子程序
主程序结束
工件到位
Y N 调电机控制程序
图3 主程序流程图
自动方式控制子程序在编程时应设置一些必要的联锁，例如上升与下降之间，以防止功
能相反的两个输出同时为ON。
4．结论
机械手采用ＰＬＣ控制技术后,大大提高了系统的自动化程度,提高了控制系统的可靠
性。本文根据系统的控制要求，综合运用了PLC技术，STEP7—Micro/WIN32编程软件，对
气动机械手的控制系统设计进行了研究，为机械手在实际应用中控制系统的设计提供借鉴。
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参考文献
[1] 张玉芝. PLC 在机械手控制系统中的应用. 山东纺织经济,2005 年2 期,39~39
[2] 汪志锋主编.可编程控制器原理与应用. 西安：西安电子科技大学出版社，2004,11~11
The Design of Control System for Pneumatic Manipulator
Yang Guangju
China Agricultural University, Beijing,China （100083）
Abstract
In this paper PLC is used for pneumatic manipulator control system, The selection of PLC , I/O
assignment and program design are given clearly as well as the principle of control system for
pneumatic manipulator based on PLC.
Keywords: pneumatic manipulator；PLC；control system.