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实验教学用气动机械臂PLC控制设计

作者：段晓飞

来源：《现代商贸工业》2014年第03期

摘要：设计了一种基于PLC控制的实验教学型气动机械臂，能实现旋转和搬运功能。叙

述了实验教学用气动机械臂的总体结构，给出了PLC控制系统设计和气动驱动系统设计。控

制程序采用“化整为零，积零为整”的模块化设计思路，程序运行效率高，可读性好。该机械臂

性能稳定，成本较低，能够满足实验教学与科技创新设计需要。

关键词：机械臂；PLC控制；气动系统

中图分类号：G4文献标识码：A文章编号（2014

引言0

可编程控制器相关课程中有一个主要的教学实验就是基于PLC控制的机械臂，该设计对

可编程控制器的原理及其控制应用的理解具有重要的意义。通常会在教学实验、课程设计和科

技创新中使用机械臂实验设备。该设计是为了满足实验教学以及科学创新。机械臂选用FX2N-

48MR/MT系列PLC控制器，用气压驱动，能很好地满足教学实验、课程设计和科技创新设计

的需要。

工作1规则及控制要求

工作1.1规则

机械臂的初始位置停在原点，按下复位钮，机械臂在原点复位；按启动钮，机械臂手臂伸

出（水平）→手臂下降（竖直）→夹紧手抓→手臂上升（竖直）→手臂收回（水平）→水平摆

动90°手臂伸出→手臂下降（竖直）→放松手抓→夹紧手抓→旋转手腕270°→放松手抓→反转

手腕270°→手抓夹紧→手腕旋转270°→放松手抓缸→手臂上升（竖直）一手臂收回（水平）

一摆动270°手臂回原点。经上面一系列流程，机械臂可完成的动作如图1中所示的位置1下方

夹住瓶盖，然后再将瓶盖放下拧紧。通过改变程序设计也可以将该机械臂设计成通用机械臂，

即在位置1夹住物品，然后在位置2将物品放下的动作。

图1机械臂结构图1.2控制要求

该设计的控制要求：

（1）手动方式：就是通过按钮对机械臂每个动作单独控制.例如，按下“下降”钮，机械臂

下降，按下“上升”钮，机械臂上升。手动操作可使机械臂归于原点位置，同时便于机械臂的调

整和维修；

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（2）步进方式：按照完整的工作步骤从开始每按一下启动钮完成一步动作，然后停止直

到再按一次启动钮，会自动执行下一个动作；

（3）单循环工作方式：按下启动钮机械臂从原点开始自动完成一个周期的工序动作后返

回原点停止；

（4）连续工作方式：按下启动钮，机械臂从原点按工序自动连续循环工作，按下停止钮

机械臂停止复位。如果选择“单周期”工作方式，机械臂会在完成一个周期的工作后返回原点自

动停机。

机械臂和气压驱动系统设计2

机械臂的总体设计2.1

本设计将机械臂设计成直角坐标式，气缸是主要执行装置，FX2N-48MR/MT系列PLC为

电气控制。设计将机械臂总体安装在一个可移动台架上，将机械装置与电气控制系统分离设

计。为便于学生实习，台架上有气动电磁阀组、机械装置、开关按钮、电气接头。支架下放置

电源、继电器、PLC、空气压缩机等。为方便学生电气接线，用电气接头把PLC的输入输出端

子接到支架台面上，在台面上学生即可完成机械臂的接线和拆卸等动作。机械臂的机械装置如

图1所示。

本设计的机械臂可以完成5个基本动作，实现五自由度控制，即左右、上下、夹紧、摆

动、旋转。每个气缸都配有传感器为方便检测气缸的位置。

本设计主要用于教学实验，所以气缸均选用轻型系列工作压力设计在0.7—1MPa之间。其

中，手指缸选V型手指缸MHZ2—100配1个磁性开关，完成夹紧动作。机械臂的手腕选用旋

转缸CDRB1BW20配2个磁性开关，完成旋转扭紧动作，一般拧紧一个瓶盖需要旋540°才能

完全拧紧，但是通常旋转缸只能旋转270°，所以只能旋转一次松开后再旋转一次，其中需要

夹紧两次完成瓶盖的拧紧。我们选用CDJ2KB16—45A型号的垂直缸，并在气缸两端配2个磁

性开关用于检测气缸的位置。选用CXSM15—100型号的水平缸，其两端配2个磁性开关。选

CDRB1BW30—