基于S7-200PLC的步進機械手設計

陳偉卓，胡志剛

（江蘇工程職業技術學院 機電學院，江蘇 南通226007）

0 引 言

隨著制造業、加工業的發展，很多地方需要將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，實現機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制［1］。物料搬運機械手應用普遍，一般的物料搬運定位控制大多采用可編程控制器PLC 加脈沖定位模塊進行定位控制，此方法結構復雜，硬件成本高［2］。本文介紹利用西門子S7-200CPU226 提供的PTO（Pulses Train Output）信號分別控制X 軸與Y 軸步進電機，實現雙軸機械手的精確定位。使用真空吸盤代替機械手手爪，實現了對特殊材料的吸取與釋放。該系統結構簡單、運行平穩、定位準確、可以搬運氣動手爪無法搬運的物料。

1 機械手總體結構與功能

該機械手本體結構如圖1 所示。底座及結構件采用鋁合金型材，雙軸滑臺采用滾珠絲杠滑臺，Z 軸采用升降氣缸，下部安裝真空吸盤用于抓取工件。兩臺步進電機分別通過聯軸器連接X 軸與Y 軸絲杠，通過PLC 控制步進電機，從而實現X 軸與Y 軸精確的定位，到達指定的位置后，由Z 軸升降氣缸控制真空吸盤動作，真空吸盤用于吸取和釋放工件。

圖1 機械手總體結構圖

該機械手為教學實驗裝置，操作模式分手動和自動方式兩種。通過觸摸屏來進行操作，觸摸屏提供手動和自動操作按鈕，可分別進入手動與自動操作界面。

1）手動操作時，通過觸摸屏操作X 軸與Y 軸的正、反轉點動按鈕，將機械手運行至任何位置，并可進行原點返回。上升與下降按鈕可實現Z 軸氣缸的上升與下降，吸取與釋放按鈕，可完成工件的吸取與釋放動作。

2）自動操作時，機械手可根據設定要求，在如圖2中的6 個工位中進行搬運，使用實驗設備時，可提出不同的要求來進行訓練。本文以圖2 的工件搬運為例介紹，初始位置位于原點，先將工件從1 號位置搬運至2 號位置，再由2 號位置搬運至3 號位置，最后回到1 號位置，完成一個流程。

圖2 搬運工件示意圖

2 氣動控制系統設計

機械手吸取物料的真空吸盤由一個氣缸帶動來完成上升與下降動作，實現Z 軸的運動。吸盤采用真空發生器完成物料吸放任務，升降氣缸與真空發生器分別由2 個二位五通雙電控電磁閥控制。升降氣缸上安裝單向節流閥，用來調節Z 軸運動的速度。選擇活塞帶磁性的氣缸，利用磁性開關來檢測升降動作的到位與否。為了確保真空發生器產生的負壓能夠吸住物體，采用氣壓傳感器檢測負壓大小，機械手氣動原理圖如圖3 所示。

3 電氣控制系統設計

圖3 氣動控制回路

機械手輸入信號有包括2 個磁性開關來檢測升降氣缸動作是否到位；氣壓傳感器來檢測真空發生器產生的負壓能否吸住物體；X 軸與Y 軸分別為兩側限位及原點開關，同時配上啟動、停止、復位、急停按鈕。輸出信號包括控制X 軸與Y 軸的脈沖與方向信號，氣缸升降、吸取與釋放電磁閥，加上啟動、停止、復位指示燈。輸入共13個，輸出11 個，PLC 選用西門子S7-200CPU226 晶體管輸出型PLC，表1 所示為輸入輸出的具體分配。

表1 PLC 控制系統輸入/輸出分配表

控制系統電氣原理圖如圖4、圖5 所示。圖4 中，QF 為自動空氣開關，主要控制PLC 電源與直流開關電源，同時具有短路、過載等保護。T1 為24V 直流開關電源，提供PLC輸入/輸出電路、步進電機驅動器及觸摸屏的直流電源。

CPU226 的輸出端子Q0.0、Q0.1 提供高速脈沖輸出，作為控制X、Y 軸步進驅動器的脈沖信號。其中，Q0.2、Q0.3 分別為X 軸、Y 軸的方向輸入信號。為保證設備的安全性，在X 軸與Y 軸分別設置兩端極限安全限位，分別是SQ2、SQ3、SQ5、SQ6，若設備運行過程中出現超程，相應開關會閉合，從圖5 中可以看出，此時KA 中間繼電器吸合，KA 兩對常開觸點分別接通兩臺步進電機驅動器的使能端，此時步進電機停止運行，從而起到保護設備的作用。Y4-Y12 主要驅動3 只指示燈與4 只電磁閥線圈，負載電壓均為直流24 V。

4 控制系統軟件設計

圖4 機械手控制系統電氣原理圖（一）

圖5 機械手控制系統電氣原理圖（二）

STEP7—Micro/WIN 提供的位控向導可以幫助用戶很方便地完成PWM、PTO 或位控模塊的組態。向導可以生成位置指令，用戶可以用這些指令在其應用程序中為速度和位置提供動態控制。當組態一個輸出為PTO 操作時，生成一個50%占空比脈沖串用于步進電機或伺服電機的速度和位置的開環控制。內置PTO 功能提供了脈沖串輸出，脈沖周期和數量可由用戶控制。但應用程序必須通過PLC 內置I/O 提供方向和限位控制。

STEP7 V4.0 軟件的位控向導能自動處理PTO 脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調制、SM 位置配置和創建包絡表。表2 是雙軸裝置上實現步進電機運行所需的運動包絡。

根據機械手自動控制要求，設計流程圖如圖6 所示。機械手起始在原點位置，當按下啟動按鈕后，機械手首先前進至1 號位置，在X 軸方向，1 號位置距離原點為11.9 mm，在Y 軸方向，1 號位置距離原點為49.4 mm，選用步進電機的步距角為1.8°，在無細分的條件下，步進電機轉一圈需要360°/1.8°=200 個脈沖，為了提高控制的精度，將步進驅動器的細分系數選為4,此時步進電機轉一圈需要200×4=800 個脈沖。由于機械手絲杠的螺距為5 mm，因此，在X 軸方向發送11.9×800÷5=1904 個脈沖，在Y 軸方向發送49.4×800÷5=7904 個脈沖，可到達1 號位置。

表2 步進電機運行的運動包絡

機械手到達1 號位置時，Z 軸氣缸下降吸取工件后上升，前進至2 號位置，在X 軸方向，2 號位置距1 號位置為160 mm，在Y 軸方向，2 號位置距1 號位置為140 mm，因此需要發送脈沖分別為160×800÷5=25 600 個與140×800÷5=22 400 個。

圖6 機械手自動運行程序流程圖

機械手到達2號位置，進行工件釋放，釋放后延時2 s，再進行工件吸取，并前進至3 號位置。在X 軸方向，3 號位置距2 號位置為0 mm，在Y 軸方向，3號位置距2 號位置為160 mm，因此，X軸不需發脈沖，Y 軸發送22 400 個。到達3 號位置進行工件釋放，釋放后延時2 s，回到1 號位置，進入下一個周期。

5 結 語

本系統運用了PLC 技術、觸摸屏技術、步進電機控制技術等，通過PLC 編程，可實現任一位置的精確定位功能。實踐表明，該系統操作方便、運行可靠、定位精確、使用效果良好。該實驗裝置在教學實訓環節發揮了很大作用，對學生PLC、步進驅動、觸摸屏、氣動控制等的技能提升幫助很大。

［1］ 余朝剛，劉啟中，王宇嘉，等.PLC 控制的步進電機教學機械手［J］.實驗技術與管理，2012（2）：98-100，122.

［2］ 張海英，劉勝明.基于PLC 的氣動吸盤式工業機械手設計［J］.機械工程師，2010（11）：32-33.