基于S7-300的機械手控制系統研究

閆鑫

（貴州大學明德學院，貴州 貴陽 550000）

隨著工業控制技術和計算機技術的不斷發展，自動化程度越來越高，我國的工業生產正在從勞動密集型生產方式向著技術密集型生產方式轉變。近年來智能制造裝備領域得到廣泛關注，工業機器人作為智能制造領域的代表，在工業自動化、智能化的發展中起到了重要的作用。機械手是工業機器人的重要組成部分，能夠模仿人手和手臂的某些動作功能，按照設定的程序實現抓取、搬運或者其他操作。

1 機械手的結構

機械手的機械結構主要由手部、手臂、立柱、行走機構、機座以及控制系統組成。（1）手部是與工件直接接觸的部位，本文采用了夾持式的手部結構設計，手部的主要機構分為傳力機構和手指兩部分。（2）手臂將立柱和手指之間建立了連接，根據夾取目標的需要調整手指的位置，手臂經過動力源的配合相應的手指完成對工件的夾取動作。（3）立柱不僅對手臂起到了很好的支持作用，還能夠根據夾取的需要帶動機械手的手臂完成升降或者是回轉運動，同時能夠根據工作需要進行水平橫向運動。（4）行走機構。機械手的行走機構可以幫助機械手實現遠距離、大范圍的操作，實現機械手的整體運動。（5）機座。機座是支撐機械手以及各個執行機構的支持機構。機械手的結構原理圖如圖1所示。

圖1 機械手結構原理圖

2 機械手運動流程設計

機械手根據不同的使用場合采用了不同的控制方式，以滿足各種控制要求，一般可以分為手動控制和自動控制兩種類型。手動控制主要是為了實現機械手在安裝調試過程或者機械手出現故障進行維修時，實現對機械手各個控制步驟的單步操作。自動模式又可以分為單周期操作和連續操作。單周期模式下，按下啟動按鈕后機械手按照PLC控制器設定的程序，自動完成一個周期的動作，然后返回到并且停留在初始步。連續操作模式下，機械手從原點開始，按下啟動按鈕后會連續不斷的循環操作。如果按下停止按鈕，機械手完成一個任務后停止，下一次任務需要按下啟動按鈕才能進行，如果出現緊急情況需要立即停止，可以按下急停按鈕，機械手的運動流程如圖2所示。

圖2 機械手的運動流程圖

3 機械手控制系統硬件設計

3.1 PLC控制器硬件選型

SIEMENS公司提供在自動化科技領域的產品、系統和服務。本文選用的PLC為SIEMENS公司S7-300系列，PLC的主要硬件配置如表1所示。

3.2 伺服控制系統選型

伺服控制系統由西門子S7-200系列PLC、松下MINAS A4系統交流伺服電機驅動器、以及MHMD022G1U永磁同步交流伺服電機、伺服編碼器組成。松下MINAS A4系統交流伺服電機驅動器具有位置控制、速度控制和轉矩控制三種模式，同時具有過流保護和過熱保護功能。伺服驅動器接收來自西門子PLC輸出的脈沖指令，驅動伺服電機帶動機械手平移。機械手移動通過PLC Q0.4控制伺服系統的啟動，開關啟動電機實現機械手的運動，PLC的方向控制信號Q0.3決定了伺服電機的轉動方向，從而控制機械手的移動方向。

表1 PLC的主要硬件配置

3.3 傳感器選型

光電傳感器將被測量的變化轉變為光信號，然后在光電元件的作用下將光信號轉變為電信號，光電傳感器具有高精度、非接觸、反應靈敏、可靠性高的特點。本文選用LJM12(18)A-4Z/NKS型光電開關，當工件接近最左端的感應區域時，光電開關能夠將輸入的電流轉變為光電信號，經過同步選通電路，導通三極管，實現工件或者運動機構是否到位檢測。

光柵傳感器的精度高，測量直線的精度可以達到0.5～3μm/3000mm，動態范圍大，能夠廣泛應用在靜態測量和主動測量等領域。本文選用的光柵傳感器為SGC-4.2型光柵傳感器，光柵傳感器利用光柵的相對移動，使透射光強度呈現出周期變化的特點，光電元件表現出成周期性變化的電信號，通過檢測電信號得出工件的位移量。

4 機械手控制系統軟件設計

本文選用的PLC為SIEMENS公司的S7-300系列，STEP 7是專門用于SIEMENS PLC開發的組態和編程的軟件包，使用者可以根據自己的項目開發需要采用合適的版本。STEP標準軟件中含有一系列應用程序：SIMATIC管理器、符號編輯器，NETPRO網絡配置、硬件配置、編程語言、硬件診斷。STEP 7標準軟件包功能和組成如圖3所示。

4.1 機械手控制I/O分配

根據機械手的控制流程，本文采用了17個PLC控制輸入點，5個PLC輸出點，能夠滿足機械手控制系統對于PLC I/O點數的控制要求，PLC輸入控制點的地址如表2所示，輸出控制點的地址如表3所示。機械手控制系統的PLC控制接線圖如圖4所示，其中機械手輸出端口通過控制繼電器來實現對電磁閥的操作。

圖3 STEP 7標準軟件包組成

表2 輸入控制信號地址分配

表3 輸出控制信號地址分配

4.2 機械手控制系統軟件設計

機械手的控制程序分為手動控制程序和自動控制程序，自動控制程序又可以分為單周期控制程序和連續控制程序。選擇機械手連續控制程序時，可以在任意時刻按下停止按鈕，機械手停止在任意位置，一旦按下“啟動按鈕”（I2.6）后，中間繼電器M0.7得電，按下停止按鈕后M0.7失電，控制程序如圖5所示。

機械手控制程序根據PLC的I/O地址分配進行設計，采用上升沿微分指令（P）實現單按鈕控制機械手的單步動作，可以明顯節省按鍵和PLC的I/O資源。選擇“單步”方式，按下啟動按鈕后，機械手只執行一步動作，其他控制方式時，M0.6始終得電，控制程序如圖6所示。

圖4 機械手控制系統接線圖

圖5 機械手連續控制PLC程序

圖6 機械手單步控制PLC程序

機械手動作完成一次循環后，回到原點位置（I0.3），如果在機械手運動過程中沒有按下過停止按鈕，進入到下一循環過程，開始下降（M2.0）抓取貨物。下降到位后，機械手下限位開關控制機械后停止下降，并開始抓取獲取（M2.1），抓取到貨物后（M2.1）由延時開關控制（T37）控制抓緊獲取，然后機械手開始上升（M2.2），上升到位（I0.2）后開始左行（M2.3）。機械手左行到位（I0.4）后，由M2.4開始控制機械手下降，然后依次完成機械手下降，松開放下獲取，然后機械手上升，上升到位后右行回到原點，機械手的部分控制程序如圖7所示。

5 結語

本文基于西門子S7-300控制器實現了機械手運動控制系統的設計，完成了機械手控制的預期要求。本文根據機械手的控制要求確定了機械手PLC輸入和輸出的控制點，選取合適的PLC控制器、伺服系統以及傳感器，搭建了PLC控制系統的硬件系統。PLC控制系統的軟件控制系統采用STEP7程序編寫，實現了機械手的單步手動控制和自動控制，根據不同的控制要求編寫了控制流程圖以及PLC控制程序，實現了機械手控制系統的設計。

圖7 機械手部分控制程序

[1] 李海禎,于復生,范國隆,國海芝,張佳麗.基于S7-200PLC的二自由度氣動絹花拾取機械手控制系統設計[J].機床與液壓,2018,46(03):5-6+11.

[2] 劉兆亮. 基于PLC控制的柔性生產線中自動分揀系統的研究[D].湖北工業大學,2017.