基于S7—200和EM253模塊的三自由度機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

彭慶翔

摘 要：三自由度機械手在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。該文提出基于西門子S7-200PLC的三自由度機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括其硬件的組成，驅(qū)動機構(gòu)的組成，以及基于S7-200PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)建，利用西門子定位模塊EM253，以及使用PWM/PTO輸出編程，實現(xiàn)機械手的3個自由度精確位置控制，其方法簡單，效果良好，成本較低廉，在自動化生產(chǎn)線中有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：三自由度機械手控制 西門子定位模塊 PWM/PTO輸出編程

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0052-02

1 課題的研究背景及意義

工業(yè)機械手是一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。其中，三自由度搬運機械手在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。三自由度機械手是具有3個方向，可以通過3個方向的直線運動，實現(xiàn)機械手在一定范圍空間中的全覆蓋工作。SIMATIC S7-200是一款微型PLC，它價格適中，性能良好，功能完善，能很好地適應(yīng)自動化生產(chǎn)線中的控制中心的需要，在小型自動化生產(chǎn)設(shè)備中有很廣泛的使用。基于SIMATIC S7-200的三自由度機械手，成本不高，能很好地完成生產(chǎn)線上的各種功能，因而有很高的實用價值。該文主要研究通過西門子S7-200PLC，利用EM253位置控制模塊，實現(xiàn)三自由度機械手的運動控制，以滿足生產(chǎn)實踐的需要。

該文主要從硬件和軟件兩方面，簡單敘述了機械手的驅(qū)動部分組成和特點，并較詳細地闡述了機械手控制系統(tǒng)的構(gòu)建以及位置控制的方法。

2 機械手的硬件組成

機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械手的機械本體部分，該文不做闡述。驅(qū)動機構(gòu)的形式要有4種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動[2]。電力驅(qū)動是機械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達400 kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅(qū)動方式。

2.1 機械手的控制系統(tǒng)

PLC是一種方便開發(fā)與聯(lián)網(wǎng)的邏輯控制器件，在自動化生產(chǎn)線中也得到了廣泛的應(yīng)用[3]。該系統(tǒng)采用S7-200系列PLC。S7-200是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型可編程邏輯控制器。S7-200設(shè)計緊湊，有較強的擴展性，價格低廉，并且提供豐富的指令，能滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在工業(yè)控制中具有很強的適應(yīng)性。

2.2 西門子定位模塊EM253

西門子系統(tǒng)中實現(xiàn)運動控制的方式有很多，其中EM253定位模塊使用簡單、控制精確，可以控制從微型步進電機到智能伺服驅(qū)動器等各種電機。

如圖1所示，此次三自由度機械手運動控制的方式選用如下：X軸采用方式EM253模塊控制，Y軸采用Q0.0輸出脈沖給伺服驅(qū)動器，Z軸采用Q0.1輸出脈沖給步進驅(qū)動器。

3 控制程序編寫

3.1 組態(tài)EM253位控模塊

要進行位移控制必須為位控模塊創(chuàng)建組態(tài)/包絡(luò)表。啟動位控向?qū)?，選擇菜單命令，工具>位置控制向?qū)?，即可通過位控向?qū)б徊讲酵瓿烧麄€組態(tài)過程。 在設(shè)置向?qū)У闹敢?，一步步完成模塊的設(shè)置，包括如下。

（1）輸入模塊的邏輯位置。

（2）輸入系統(tǒng)的測量單位（“工程量”或“脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)”）。

（3）編輯輸入、輸出點配置。

（4）定義模板輸入信號LMT+、LMT-、STP的功能。

（5）定義電機的速度。

（6）……

還有若干步驟，可以根據(jù)實際情況參考西門子EM253模塊的使用手冊進行設(shè)置，因篇幅有限不一一做闡述。當(dāng)設(shè)置完畢后，在STEP-S7-200編程軟件中就可以調(diào)用相應(yīng)的子程序，實現(xiàn)運動控制。

3.2 位控模塊編程

STEP 7-Micro/WIN軟件為位控模塊的組態(tài)和編程提供了便捷的方式?？梢宰裱旅娌襟E完成。

（1）組態(tài)位控模塊。通過上文的位控向?qū)?，可以生成組態(tài)/包絡(luò)表和位控指令。

（2）創(chuàng)建S7-200的執(zhí)行程序。我們可以使用位控向?qū)傻奈豢刂噶?，插入程序中，如插入一個POSx_CTRL指令，作為使能位控模塊。用SM0.0（始終接通）以確保這條指令在每一個循環(huán)周期中都得到執(zhí)行。要將機械手的電機移動到某個指定位置，使用POSx_GOTO或POSx_RUN 。POSx_GOTO指令移動電機到程序輸入的指定位置。POSx_RUN則能按照位控向?qū)е械穆肪€移動。如圖2所示為電機移動的示例程序。要使用絕對坐標進行移動，可以使用POSx_RSEEK或POSx_LDPOS指令來建立零位置，并進行移動。

根據(jù)控制按要求編寫好程序后，編譯并將系統(tǒng)塊、數(shù)據(jù)塊和程序塊下載到S7-200PLC中即可完成機械手X軸的控制。

3.3 PWM/PTO輸出編程

機械手的Y軸和Z軸可通過PWM/PTO輸出Q0.0和Q0.1控制，如圖3所示，西門子PLC給定了相應(yīng)的特殊輔助繼電器，以滿足PWM/PTO脈沖輸出控制的需要。其中左圖SMB67、SMD72是控制Q0.0的輸出脈沖，右圖的SMB77、SMD82是控制Q0.1的輸出脈沖。16#85是輸出方式的設(shè)置，具體細節(jié)可以參考相關(guān)手冊。圖中SMD72和SMD82被設(shè)成10 000，表示電機移動10 000個脈沖數(shù)。另外，還需要設(shè)定SMW68和SMW78，分別表示兩組脈沖的速度。如圖4所示。此外，西門子也提供了預(yù)設(shè)好的脈沖輸出MAP庫子程序，可以讓用戶直接調(diào)用以實現(xiàn)脈沖輸出控制，因篇幅有限，在此不做過多闡述。

4 結(jié)語

使用西門子S7-200系列PLC實現(xiàn)三自由度機械手的控制，方法簡單，硬件配置價格低廉，編程過程并不復(fù)雜，有不錯的實用價值，如有需要，S7-200PLC還可以通過ProfitBUS-DP現(xiàn)場總線方式，與多臺PLC組網(wǎng)，完成生產(chǎn)線的自動控制，應(yīng)用空間廣闊，非常適合應(yīng)用于小型自動化控制的場合。

參考文獻

[1] 陶湘廳，袁銳波，羅璟.氣動機械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 機床與液壓，2007，35（8）：226-228.

[2] 張帆.三自由度機械手控制系統(tǒng)研究[J].電氣時代，2010（10）：106-107.

[3] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.