基于S7-200PLC的步进机械手设计

陈伟卓，胡志刚

（江苏工程职业技术学院 机电学院，江苏 南通226007）

0 引 言

随着制造业、加工业的发展，很多地方需要将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制［1］。物料搬运机械手应用普遍，一般的物料搬运定位控制大多采用可编程控制器PLC 加脉冲定位模块进行定位控制，此方法结构复杂，硬件成本高［2］。本文介绍利用西门子S7-200CPU226 提供的PTO（Pulses Train Output）信号分别控制X 轴与Y 轴步进电机，实现双轴机械手的精确定位。使用真空吸盘代替机械手手爪，实现了对特殊材料的吸取与释放。该系统结构简单、运行平稳、定位准确、可以搬运气动手爪无法搬运的物料。

1 机械手总体结构与功能

该机械手本体结构如图1 所示。底座及结构件采用铝合金型材，双轴滑台采用滚珠丝杠滑台，Z 轴采用升降气缸，下部安装真空吸盘用于抓取工件。两台步进电机分别通过联轴器连接X 轴与Y 轴丝杠，通过PLC 控制步进电机，从而实现X 轴与Y 轴精确的定位，到达指定的位置后，由Z 轴升降气缸控制真空吸盘动作，真空吸盘用于吸取和释放工件。

图1 机械手总体结构图

该机械手为教学实验装置，操作模式分手动和自动方式两种。通过触摸屏来进行操作，触摸屏提供手动和自动操作按钮，可分别进入手动与自动操作界面。

1）手动操作时，通过触摸屏操作X 轴与Y 轴的正、反转点动按钮，将机械手运行至任何位置，并可进行原点返回。上升与下降按钮可实现Z 轴气缸的上升与下降，吸取与释放按钮，可完成工件的吸取与释放动作。

2）自动操作时，机械手可根据设定要求，在如图2中的6 个工位中进行搬运，使用实验设备时，可提出不同的要求来进行训练。本文以图2 的工件搬运为例介绍，初始位置位于原点，先将工件从1 号位置搬运至2 号位置，再由2 号位置搬运至3 号位置，最后回到1 号位置，完成一个流程。

图2 搬运工件示意图

2 气动控制系统设计

机械手吸取物料的真空吸盘由一个气缸带动来完成上升与下降动作，实现Z 轴的运动。吸盘采用真空发生器完成物料吸放任务，升降气缸与真空发生器分别由2 个二位五通双电控电磁阀控制。升降气缸上安装单向节流阀，用来调节Z 轴运动的速度。选择活塞带磁性的气缸，利用磁性开关来检测升降动作的到位与否。为了确保真空发生器产生的负压能够吸住物体，采用气压传感器检测负压大小，机械手气动原理图如图3 所示。

3 电气控制系统设计

图3 气动控制回路

机械手输入信号有包括2 个磁性开关来检测升降气缸动作是否到位；气压传感器来检测真空发生器产生的负压能否吸住物体；X 轴与Y 轴分别为两侧限位及原点开关，同时配上启动、停止、复位、急停按钮。输出信号包括控制X 轴与Y 轴的脉冲与方向信号，气缸升降、吸取与释放电磁阀，加上启动、停止、复位指示灯。输入共13个，输出11 个，PLC 选用西门子S7-200CPU226 晶体管输出型PLC，表1 所示为输入输出的具体分配。

表1 PLC 控制系统输入/输出分配表

控制系统电气原理图如图4、图5 所示。图4 中，QF 为自动空气开关，主要控制PLC 电源与直流开关电源，同时具有短路、过载等保护。T1 为24V 直流开关电源，提供PLC输入/输出电路、步进电机驱动器及触摸屏的直流电源。

CPU226 的输出端子Q0.0、Q0.1 提供高速脉冲输出，作为控制X、Y 轴步进驱动器的脉冲信号。其中，Q0.2、Q0.3 分别为X 轴、Y 轴的方向输入信号。为保证设备的安全性，在X 轴与Y 轴分别设置两端极限安全限位，分别是SQ2、SQ3、SQ5、SQ6，若设备运行过程中出现超程，相应开关会闭合，从图5 中可以看出，此时KA 中间继电器吸合，KA 两对常开触点分别接通两台步进电机驱动器的使能端，此时步进电机停止运行，从而起到保护设备的作用。Y4-Y12 主要驱动3 只指示灯与4 只电磁阀线圈，负载电压均为直流24 V。

4 控制系统软件设计

图4 机械手控制系统电气原理图（一）

图5 机械手控制系统电气原理图（二）

STEP7—Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助用户很方便地完成PWM、PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制。内置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC 内置I/O 提供方向和限位控制。

STEP7 V4.0 软件的位控向导能自动处理PTO 脉冲的单段管线和多段管线、脉宽调制、SM 位置配置和创建包络表。表2 是双轴装置上实现步进电机运行所需的运动包络。

根据机械手自动控制要求，设计流程图如图6 所示。机械手起始在原点位置，当按下启动按钮后，机械手首先前进至1 号位置，在X 轴方向，1 号位置距离原点为11.9 mm，在Y 轴方向，1 号位置距离原点为49.4 mm，选用步进电机的步距角为1.8°，在无细分的条件下，步进电机转一圈需要360°/1.8°=200 个脉冲，为了提高控制的精度，将步进驱动器的细分系数选为4,此时步进电机转一圈需要200×4=800 个脉冲。由于机械手丝杠的螺距为5 mm，因此，在X 轴方向发送11.9×800÷5=1904 个脉冲，在Y 轴方向发送49.4×800÷5=7904 个脉冲，可到达1 号位置。

表2 步进电机运行的运动包络

机械手到达1 号位置时，Z 轴气缸下降吸取工件后上升，前进至2 号位置，在X 轴方向，2 号位置距1 号位置为160 mm，在Y 轴方向，2 号位置距1 号位置为140 mm，因此需要发送脉冲分别为160×800÷5=25 600 个与140×800÷5=22 400 个。

图6 机械手自动运行程序流程图

机械手到达2号位置，进行工件释放，释放后延时2 s，再进行工件吸取，并前进至3 号位置。在X 轴方向，3 号位置距2 号位置为0 mm，在Y 轴方向，3号位置距2 号位置为160 mm，因此，X轴不需发脉冲，Y 轴发送22 400 个。到达3 号位置进行工件释放，释放后延时2 s，回到1 号位置，进入下一个周期。

5 结 语

本系统运用了PLC 技术、触摸屏技术、步进电机控制技术等，通过PLC 编程，可实现任一位置的精确定位功能。实践表明，该系统操作方便、运行可靠、定位精确、使用效果良好。该实验装置在教学实训环节发挥了很大作用，对学生PLC、步进驱动、触摸屏、气动控制等的技能提升帮助很大。

［1］ 余朝刚，刘启中，王宇嘉，等.PLC 控制的步进电机教学机械手［J］.实验技术与管理，2012（2）：98-100，122.

［2］ 张海英，刘胜明.基于PLC 的气动吸盘式工业机械手设计［J］.机械工程师，2010（11）：32-33.