五自由度机械手的PLC控制

摘 要：首先分析了该系统的工程应用意义及价值，然后对系统硬件和软件进行了设计，采用步进电机控制机械手底座的水平移动及旋转移动，采用直流电机控制机械手的手臂，用舵机控制机械手的手爪。设计了PLC的外部接线，采用顺序控制的编程方法编写了控制程序。并且建立了两台PLC的PPI网络通信。设计了触摸屏监控画面，实现了对机械手的实时监控。

关键词：PLC；机械手；步进电机；组态控制

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

1 引言

机器人是在机械化、自动化发展浪潮中涌现出来的一种新型装置，它的出现大大解放了生产工人的劳动，提高了劳动生产率。机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一，对于国民经济和国防建设具有重要意义。我国在863计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视[1]。

随着工业4.0和我国的“中国制造2025”战略的部署，我国大力发展制造业，而我国的制造业正处在上升期，随着市场竞争的激烈、劳动力成本的逐年上升以及用户对个性化、定制化的需求越来越迫切，老龄化社会的形成，一线工人减少的趋势不可逆转，我国制造业迫切需要升级改造，来提高经济效益，因此，对机器人产业具有迫切的需求。

2 系统的控制要求

要求机械手在4个工位之间依次搬运工件，控制程序具有“复位”“启动”“停止”“急停”功能。

机械手在运动过程中，按“停止”按钮，五自由度机械手完成当前动作后停止运行，按“启动”按钮，五自由度机械手继续下一步动作。

在五自由度机械手运动时，按下“急停”开关，五自由度机械手立即停止移动及转向，此时如需再次运行机械手，需亲手将本次搬运途中掉下的工件拿到1号物料台，再按“复位”按钮“复位”完成后，按启动可重新运行。

系统采用两台S7-200PLC，一台作为从站对机械手进行控制，另一个台作为主站监控机器人的运行状态。触摸屏与主站PLC连接，实现对主站PLC和从站PLC的实时监控，并控制PLC按上述流程完成搬运任务。

利用触摸屏，可以对系统进行“复位”、“启动”、“停止”“急停”等操作，并可以在触摸屏上实时显示当前五自由度机器人的运行状态。

3 硬件设计

系统输入需要有四个按钮分别控制系统的“复位（SB1）”“启动（SB2）”“停止（SB3）”“急停（SB4）”功能；还需有四个传感器分别作为“原点”“右限位”“底座旋转限位”的限位与控制。

机械手有五个自由度，分别是基座水平移动、基座旋转、大臂抬放、小臂抬放、手爪夹紧和放松。基座的水平移动和旋转由步进电机来控制，步进电机分别由PLC的两个高速脉冲输出点Q0.0和Q0.1控制其速度；大臂和小臂由直流电机控制。手爪由舵机控制。

PLC控制结构图如图2：

为节约成本，该系统只有水平移动和底座旋转采用步进电机驱动，S7-200PLC只有两个高速脉冲输出点，其他三个自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪电机通过PLC的普通输出点进行控制。

4 PLC的软件设计

PLC软件采用模块化程序设计，由主程序模块和6个子程序模块组成，子程序包括水平移动、水平停止、旋转移动、旋转停止、水平复位、水平减速。程序结构图如图3：

5 系统的网络结构与组态

西门子S7-200系列PLC支持多种通信协议，协议定义了主站与从站两类通信设备，主站可以对网络上另一台（或多台）设备从站发出命令，从站则响应来自主站的命令。主、从站间的专用通信协议有PPI协议、MPI协议、PROFIBUS协议和自由口协议。在实际应用中，S7-200经常采用PPI协议进行通信。S7-200通过PPI通信可以发挥其强大的通信功能，实现PLC与PLC、PLC与PC、PLC与其他智能设备之间的信息交换，组成集中管理的多级分布式PLC网络控制系统[2]。

该系统的网络结构如图4所示，采用两台PLC，一台作为从站用于控制机器人的动作，另一台作为主站对从站的状态进行监控，用计算机在S7-200CPU处于STOP模式时对PLC进行编程，并对触摸屏进行组态。

组态技术的发展与应用极大地提高了工业控制系统的自动化水平。目前，基于组态技术，以PLC为核心的计算机测控系统一般是利用单台PLC或PLC-PLC网络完成信号的前沿采集、检测与控制功能，PC机和组态软件只用于系统的监控与历史数据管理。该系统采用MCGS软件进行组态，组态流程如图5所示。

6 结术语

基于MCGS组态监控的机械手主从网络控制系统在山东英才学院PLC实验室调试通过并实际运行。该系统成本低廉，运行稳定，采用MCGS进行系统开发，方便、快捷，可以在工程应用中推广使用。

参考文献：

[1]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，7（39）：7.

[2]朱奕丹，吴凯波.主从式S7-200PPI通信与MCGS监控组态设计[J].自动化技术与应用，2006（25）：5.

项目支持：山东英才学院校级科研立项 （14YCYBZR06）

作者简介：杨新军（1977-），副教授，研究方向：控制理论与检测技术。