基于S7-200Smart PLC的菌棒碼垛機械臂控制系統設計

黃文彬，郝晨君，孫宇鵬，夏雪婷

（南陽理工學院 智能制造學院，河南 南陽473004）

隨著工業的發展，在生產加工過程中對機械臂的控制精度和運行速度的要求逐漸變高，而電機正是機械臂運動的動力來源，所以電機的控制精度和運行速度就決定了機械臂的精度和速度，而多自由度機械臂還需要多個電機之間能夠協同運行，使該運動機構的穩定性和可靠性得到了保證。該課題三自由度機械臂，用于一體化菌棒智能設備中的菌棒輸出單元，實現菌棒碼垛功能。多個運動部件之間協同運行的機械性能反映了運動控制系統的可靠性和穩定性，本文設計的X-Y-Z三自由度運動控制系統由可編程控制器、步進驅動模塊、兩相四線步進電機、位置傳感器和機械結構以及上位機組態的運動監控系統組成，可實現X-Y-Z三維空間內任意位置坐標的精確定位和運行速度控制。該運動控制系統所使用主要元件清單見表1。

表1 X-Y-Z三自由度運動控制工作臺主要元件清單

1 運動方式

X-Y-Z三自由度機械臂運動控制系統以S7-200SM ART PLC為核心部件可通過改變輸入的運動速度、運動方向和位置坐標實現機械臂的運動控制具體功能如下：

（1）具有“開始”“停止”“復位”“急停”“位置保存”等功能，并可進行手動/自動操作方式切換。

（2）復位完成后，在自動控制方式下可以按手動示教保存到運動位置信息自動運行，運動軌跡如圖1所示。

圖1 三自由度機械臂運動軌跡

（3）在手動操作模式下，可實現機械臂在X-Y-Z三維空間任意位置的點動運動控制和位置信息保存。

（4）機械臂按照設定好的運動軌跡運行一周后回到初始位置。

2 步進驅動外部電路及參數

2.1 步進驅動電路

步進驅動器如圖2所示。

圖2 步進驅動電路

2.2 PLC控制電路

TB6600步進驅動器的上位控制器采用西門子S7-200Smart PLC CPU ST30的Q0.0、Q0.1和Q0.3分別為X軸、Y軸、Z軸，3軸提供高達100kHz高速脈沖，將3個輸出端口分別接到3臺步進驅動器的PUL+引腳，輸出端口Q0.2、Q0.7和Q1.0分別為X軸、Y軸、Z軸輸出方向信號分別接至步進驅動器的DIR+引腳。X軸位置傳感器SB1、Y軸位置傳感器SB2、Z軸位置傳感器SB3分別連接PLC的I0.0、I0.1、I0.2輸入端口，啟動和停止開關分別連接I1.0、I1.1。

步進驅動器需要用+5V的控制信號來控制,而西門子S7-200Smart輸出的是+24V的控制信號，所以需要在S7-200Smart PLC CPU ST 30和TB6600步進驅動器之間串聯一個2kΩ的電阻使S7-200Smart PLC CPU ST 30的輸出信號接近+5V,因為S7-200Smart PLC CPU ST 30是PNP接法，所以S7-200Smart PLC和TB6600步進驅動器之間應采用共陰接法。

3 PLC程序設計

S7-200Smart PLC CPU ST30支持多種運動模式和PWM、PTO兩種脈沖輸出方式，能夠自由設置運動包絡。通過運動控制向導對三自由度機械臂控制系統進行組態。

3.1 運動控制向導設置

（1）將軸0命名為X軸。選擇測量系統為工程單位，設置電機轉一圈所需要的脈沖數、測量單位、電機旋轉一次產生多少“單位”的運動。

（2）點擊RPS對X軸原點進行設置，選擇I0.0為原點的輸入信號。

（3）點擊“電機速度”“JOG”和“電機時間”對電機的最大速度、最小速度、點動速度、加減速時間進行設置。

（4）點擊啟用“參考點”，設置電機的查找速度、查找方向。

（5）點擊“儲存器分配”，設置儲存器分配地址。

（6）點擊“組件”，選擇所需的項目組件。

（7）打開映射查看端口地址。

（8）點擊“生成”運動控制向導設置完成。

3.2 PLC程序

X-Y-Z三自由度機械臂控制系統主程序如圖3所示。通過對子程序的編寫調用，可以實現對機械臂的運動速度、方向、位置進行修改和保存，實現機械臂的手自動化運行。

圖3 部分程序

4 人機界面設計

本文選用Wincc flexible組態軟件實現上位機的監控設置功能，通過該方式可以實現與西門子S7系列PLC的快速連接通信，Wincc flexible和STEP 7-Micro/WIN SMART項目組態軟件的密切聯系能夠有效縮短項目開發周期。該系統設計的人機界面主要包括用戶界面和運動信息設置界面，各界面功能如圖4所示。

圖4 用戶界面

5 結束語

本文設計的基于S7-200Smart PLC的三軸運動控制系統，可以廣泛應用于工業生產中。控制精度能夠達到0.01mm，操作方式簡單，可以通過手動示教記錄運動位置實現機械臂的自動運行。