彭慶翔

摘 要：三自由度機(jī)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(mén)子S7-200PLC的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括其硬件的組成，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成，以及基于S7-200PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)建，利用西門(mén)子定位模塊EM253，以及使用PWM/PTO輸出編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的3個(gè)自由度精確位置控制，其方法簡(jiǎn)單，效果良好，成本較低廉，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中有較高的實(shí)用價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0052-02

1 課題的研究背景及意義

工業(yè)機(jī)械手是一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。其中，三自由度搬運(yùn)機(jī)械手在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。三自由度機(jī)械手是具有3個(gè)方向，可以通過(guò)3個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jià)格適中，性能良好，功能完善，能很好地適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的控制中心的需要，在小型自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中有很廣泛的使用?；赟IMATIC S7-200的三自由度機(jī)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(shí)用價(jià)值。該文主要研究通過(guò)西門(mén)子S7-200PLC，利用EM253位置控制模塊，實(shí)現(xiàn)三自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需要。

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

2 機(jī)械手的硬件組成

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

2.1 機(jī)械手的控制系統(tǒng)

PLC是一種方便開(kāi)發(fā)與聯(lián)網(wǎng)的邏輯控制器件，在自動(dòng)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(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型可編程邏輯控制器。S7-200設(shè)計(jì)緊湊，有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，價(jià)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(jí)使其在工業(yè)控制中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.2 西門(mén)子定位模塊EM253

西門(mén)子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的方式有很多，其中EM253定位模塊使用簡(jiǎn)單、控制精確，可以控制從微型步進(jìn)電機(jī)到智能伺服驅(qū)動(dòng)器等各種電機(jī)。

如圖1所示，此次三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(dòng)器，Z軸采用Q0.1輸出脈沖給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

3 控制程序編寫(xiě)

3.1 組態(tài)EM253位控模塊

要進(jìn)行位移控制必須為位控模塊創(chuàng)建組態(tài)/包絡(luò)表。啟動(dòng)位控向?qū)?，選擇菜單命令，工具>位置控制向?qū)?，即可通過(guò)位控向?qū)б徊讲酵瓿烧麄€(gè)組態(tài)過(guò)程。 在設(shè)置向?qū)У闹敢拢徊讲酵瓿赡K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(cè)量單位（“工程量”或“脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)”）。

（3）編輯輸入、輸出點(diǎn)配置。

（4）定義模板輸入信號(hào)LMT+、LMT-、STP的功能。

（5）定義電機(jī)的速度。

（6）……

還有若干步驟，可以根據(jù)實(shí)際情況參考西門(mén)子EM253模塊的使用手冊(cè)進(jìn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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。可以遵循下面步驟完成。

（1）組態(tài)位控模塊。通過(guò)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(gè)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(gè)循環(huán)周期中都得到執(zhí)行。要將機(jī)械手的電機(jī)移動(dòng)到某個(gè)指定位置，使用POSx_GOTO或POSx_RUN 。POSx_GOTO指令移動(dòng)電機(jī)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(dòng)。如圖2所示為電機(jī)移動(dòng)的示例程序。要使用絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)，可以使用POSx_RSEEK或POSx_LDPOS指令來(lái)建立零位置，并進(jìn)行移動(dòng)。

根據(jù)控制按要求編寫(xiě)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(jī)械手X軸的控制。

3.3 PWM/PTO輸出編程

機(jī)械手的Y軸和Z軸可通過(guò)PWM/PTO輸出Q0.0和Q0.1控制，如圖3所示，西門(mén)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(xì)節(jié)可以參考相關(guān)手冊(cè)。圖中SMD72和SMD82被設(shè)成10 000，表示電機(jī)移動(dòng)10 000個(gè)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(mén)子也提供了預(yù)設(shè)好的脈沖輸出MAP庫(kù)子程序，可以讓用戶直接調(diào)用以實(shí)現(xiàn)脈沖輸出控制，因篇幅有限，在此不做過(guò)多闡述。

4 結(jié)語(yǔ)

使用西門(mén)子S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)三自由度機(jī)械手的控制，方法簡(jiǎn)單，硬件配置價(jià)格低廉，編程過(guò)程并不復(fù)雜，有不錯(cuò)的實(shí)用價(jià)值，如有需要，S7-200PLC還可以通過(guò)ProfitBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線方式，與多臺(tái)PLC組網(wǎng)，完成生產(chǎn)線的自動(dòng)控制，應(yīng)用空間廣闊，非常適合應(yīng)用于小型自動(dòng)化控制的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

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

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

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