基于西門子PLC的生產線機械手設計

徐健寧

【摘 要】本文介紹一種基于S7-200 SMART的生產線機械手的設計，其廣泛的應用于流水線搬運環節。本設計由PLC、驅動裝置、氣動裝置、滑臺和機械手組成。本文重點介紹使用STEP 7-MicroWIN SMART的運動向導實現步進電機協調運動的控制方法。經過調試本設備可以滿足誤差小于0.5mm的工件搬運工作。

【關鍵詞】PLC；機械手

0 引言

隨著工業4.0的概念不斷深入工業控制，信息化由一種趨勢變成一種必然，SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司經過大量市場調研，為中國客戶量身定制的一款高性價比小型PLC產品。SMART系列在原有串口的基礎上，增加以太網接口，使其接入工業網絡更為便捷。滑臺與機械手的移動采用步進電機帶動絲杠移動，機械手的伸縮與抓取采用氣動控制。限位開關用于控制機械手移動位置，鐵傳感器用于檢測機械手的工作狀態。本設計所用主要元件如下表所示：

本系統采用西門子S7-200 SMART PLC、步進電機、步進驅動、位置傳感器、限位開關等構成的閉環運動控制系統。通過改變輸出給步進驅動的脈沖數量、頻率、方向，來控制步進電機的運動速度、位移量、方向的控制目的，再根據各傳感器的反饋信號來做出工件的抓取和放置。具體功能如下幾點所述：

（1）上電自復位功能。

（2）根據上位機（PC、PLC、工廠設備）控制信息及傳感器反饋信號來做出對件的抓取、放置、搬運。

（3）完成一次工件搬運后返回設備初始位置。

1 硬件電路及參數設置

1.1 步進驅動控制

步進電機主要用于滑臺和機械手移動的驅動。S7-200 SMART PLC不能直接驅動步進電機，通常采用配套的步進驅動器完成驅動工作。本設計采用步進驅動器的輸入端口有： VCC/GND為24V電源輸入口，PUL+/PUL-為脈沖輸入端口，DIR+/DIR-為方向信號輸入端口，ENA+/ENA-為脫機信號輸入端（可不接）。輸出的端口有：A+/A-/B+/B-四個端口接四線步進電機的兩個線圈。本設計使用的S7-200 SMART ST20是晶體管輸出，因此步進驅動器輸入端口可以采用共陰接法。步進電機驅動器脈沖信號和方向信號輸入電壓為5V，本設計采用的PLC輸出電壓是24V，因此需要在PLC與步進驅動器間串聯2K的電阻限流。

1.2 氣動控制

機械手伸縮及其抓取采用氣動控制。直行氣缸的伸出、縮回，手指氣缸的抓取、放置，均采用二位五通電磁閥來控制。PLC兩個輸出即可實現二位五通電磁閥的控制，控制簡單可靠。

1.3 PLC控制電路

步進電機驅動控制、啟動控制的上位控制器采用西門子S7-200 SMART PLC CPU ST20，其為標準的晶體管輸出型CPU模塊，模塊本體集成了1個以太網接口和1個RS485接口。該CPU模塊的Q0.0、Q0.1兩個輸出端子可提供兩軸100kHz高速脈沖輸出，分別連接至兩臺步進驅動器的PUL+端口。Q0.2，Q0.7作為方向控制信號連接至驅動器的DIR+端口，PLC與驅動器接線如圖1所示。PLC的12個輸入端使用分配為：位置傳感器4個、氣缸磁性傳感器3個、工件傳感器2個、觸發傳感器3個。PLC輸出端除控制步進電機的4個外，再分配兩個輸出端去完成氣動控制。

2 PLC程序設計

西門子S7-200 SMART PLC CPU ST20的兩路高數脈沖輸出支持PWM和PTO輸出方式及多種運動模式，可以自由設置運動包絡。PWM（脈寬調制）方式中，輸出脈沖的周期是固定的，脈沖的寬度（占空比）是由程序來調節，可以調節電機的速度、閥門開度等。在PTO方式中，輸出脈沖可以組態為多種工作模式，包括自動尋找原點，可以實現對步進電機進行控制，達到調速和定位的目的。本文主要介紹采用ST20 CPU本身所帶的Q0.1與Q0.1輸出端子，通過運動控制向導設置必要參數，組態PTO高速脈沖輸出的方式，完成調速和定位等控制功能的方法。

2.1 運動控制向導設置

（1）運動向導有兩種打開方式。一種方法是：打開向導，點擊“運動”；另一種是：在菜單欄內點擊“工具”，選擇“運動”、

（2）選擇要組態的軸，并將所操作軸名稱改為對應的名稱。

（3）選擇測量系統為“工程單位”，根據所調步進電機驅動器細分數來設置“電機一次旋轉所需脈沖數”。根據設備的標準選擇“測量基本單位”，并設置其每次旋轉能產生基本單位的量。

（4）設置“方向控制”參數。

（5）設置電機的最大速度、最小速度、起停速度及起停時間

（6）選取所要生成的的子程序。

（7）另外一個軸參數設置與以上所述步驟相同。

（8）點擊“生成”完成向導設置

2.2 梯形圖程序設計

設備的上升、下降、左右移動、抓取及放置有很多重復的步驟，子程序可以避免重復編寫程序，優化程序的編寫和閱讀。機械手的動作始終按照一定的步序完成，使用西門子PLC的順序控制指令編寫非常方便，其工序圖如圖2所示：

3 總結

本文設計是基于西門子S7-200 SMAT的生產機械手，本設計結構簡單，控制靈活，經濟可靠，可以作為工廠生產搬運設備或其他需要搬運環節的一個參考。可以通過改變機械手的結構和形狀，使其適應不同對象的抓取；可以通過對步進電機和驅動的調整，實現更高的精度和更高的速度；可以通過修改PLC輸出的包絡曲線，調整滑臺移動是啟動與停止的平順性。總之，本設計僅僅提供一個設計的模型，可以根據用戶的不同需求進行調整，且結構簡單、經濟可靠，具備一定的市場推廣價值。

【參考文獻】

[1]廖常初.S7-200 SMART PLC編程及應用 第二版.北京：機械工業出版社.2014.12.

[2]西門子（中國）有限公司.S7-200 SMART 可編程控制器系統手冊.2013.

[3]趙春生.可編程控制器應用技術[M].北京：人民郵電出版社.2008.

[4]廖常初.S7-200 SMART PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社.2015.endprint