五自由度機械手的PLC控制

摘 要：首先分析了該系統的工程應用意義及價值，然后對系統硬件和軟件進行了設計，采用步進電機控制機械手底座的水平移動及旋轉移動，采用直流電機控制機械手的手臂，用舵機控制機械手的手爪。設計了PLC的外部接線，采用順序控制的編程方法編寫了控制程序。并且建立了兩臺PLC的PPI網絡通信。設計了觸摸屏監控畫面，實現了對機械手的實時監控。

關鍵詞：PLC；機械手；步進電機；組態控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.043

1 引言

機器人是在機械化、自動化發展浪潮中涌現出來的一種新型裝置，它的出現大大解放了生產工人的勞動，提高了勞動生產率。機器人技術是未來高技術、新興產業發展的基礎之一，對于國民經濟和國防建設具有重要意義。我國在863計劃、國家自然科學基金、國家科技重大專項等規劃中對機器人技術研究給予極大的重視[1]。

隨著工業4.0和我國的“中國制造2025”戰略的部署，我國大力發展制造業，而我國的制造業正處在上升期，隨著市場競爭的激烈、勞動力成本的逐年上升以及用戶對個性化、定制化的需求越來越迫切，老齡化社會的形成，一線工人減少的趨勢不可逆轉，我國制造業迫切需要升級改造，來提高經濟效益，因此，對機器人產業具有迫切的需求。

2 系統的控制要求

要求機械手在4個工位之間依次搬運工件，控制程序具有“復位”“啟動”“停止”“急停”功能。

機械手在運動過程中，按“停止”按鈕，五自由度機械手完成當前動作后停止運行，按“啟動”按鈕，五自由度機械手繼續下一步動作。

在五自由度機械手運動時，按下“急停”開關，五自由度機械手立即停止移動及轉向，此時如需再次運行機械手，需親手將本次搬運途中掉下的工件拿到1號物料臺，再按“復位”按鈕“復位”完成后，按啟動可重新運行。

系統采用兩臺S7-200PLC，一臺作為從站對機械手進行控制，另一個臺作為主站監控機器人的運行狀態。觸摸屏與主站PLC連接，實現對主站PLC和從站PLC的實時監控，并控制PLC按上述流程完成搬運任務。

利用觸摸屏，可以對系統進行“復位”、“啟動”、“停止”“急停”等操作，并可以在觸摸屏上實時顯示當前五自由度機器人的運行狀態。

3 硬件設計

系統輸入需要有四個按鈕分別控制系統的“復位（SB1）”“啟動（SB2）”“停止（SB3）”“急停（SB4）”功能；還需有四個傳感器分別作為“原點”“右限位”“底座旋轉限位”的限位與控制。

機械手有五個自由度，分別是基座水平移動、基座旋轉、大臂抬放、小臂抬放、手爪夾緊和放松。基座的水平移動和旋轉由步進電機來控制，步進電機分別由PLC的兩個高速脈沖輸出點Q0.0和Q0.1控制其速度；大臂和小臂由直流電機控制。手爪由舵機控制。

PLC控制結構圖如圖2：

為節約成本，該系統只有水平移動和底座旋轉采用步進電機驅動，S7-200PLC只有兩個高速脈沖輸出點，其他三個自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪電機通過PLC的普通輸出點進行控制。

4 PLC的軟件設計

PLC軟件采用模塊化程序設計，由主程序模塊和6個子程序模塊組成，子程序包括水平移動、水平停止、旋轉移動、旋轉停止、水平復位、水平減速。程序結構圖如圖3：

5 系統的網絡結構與組態

西門子S7-200系列PLC支持多種通信協議，協議定義了主站與從站兩類通信設備，主站可以對網絡上另一臺（或多臺）設備從站發出命令，從站則響應來自主站的命令。主、從站間的專用通信協議有PPI協議、MPI協議、PROFIBUS協議和自由口協議。在實際應用中，S7-200經常采用PPI協議進行通信。S7-200通過PPI通信可以發揮其強大的通信功能，實現PLC與PLC、PLC與PC、PLC與其他智能設備之間的信息交換，組成集中管理的多級分布式PLC網絡控制系統[2]。

該系統的網絡結構如圖4所示，采用兩臺PLC，一臺作為從站用于控制機器人的動作，另一臺作為主站對從站的狀態進行監控，用計算機在S7-200CPU處于STOP模式時對PLC進行編程，并對觸摸屏進行組態。

組態技術的發展與應用極大地提高了工業控制系統的自動化水平。目前，基于組態技術，以PLC為核心的計算機測控系統一般是利用單臺PLC或PLC-PLC網絡完成信號的前沿采集、檢測與控制功能，PC機和組態軟件只用于系統的監控與歷史數據管理。該系統采用MCGS軟件進行組態，組態流程如圖5所示。

6 結術語

基于MCGS組態監控的機械手主從網絡控制系統在山東英才學院PLC實驗室調試通過并實際運行。該系統成本低廉，運行穩定，采用MCGS進行系統開發，方便、快捷，可以在工程應用中推廣使用。

參考文獻：

[1]譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，7（39）：7.

[2]朱奕丹，吳凱波.主從式S7-200PPI通信與MCGS監控組態設計[J].自動化技術與應用，2006（25）：5.

項目支持：山東英才學院校級科研立項 （14YCYBZR06）

作者簡介：楊新軍（1977-），副教授，研究方向：控制理論與檢測技術。