基于S7-200Smart PLC的菌棒码垛机械臂控制系统设计

黄文彬，郝晨君，孙宇鹏，夏雪婷

（南阳理工学院 智能制造学院，河南 南阳473004）

随着工业的发展，在生产加工过程中对机械臂的控制精度和运行速度的要求逐渐变高，而电机正是机械臂运动的动力来源，所以电机的控制精度和运行速度就决定了机械臂的精度和速度，而多自由度机械臂还需要多个电机之间能够协同运行，使该运动机构的稳定性和可靠性得到了保证。该课题三自由度机械臂，用于一体化菌棒智能设备中的菌棒输出单元，实现菌棒码垛功能。多个运动部件之间协同运行的机械性能反映了运动控制系统的可靠性和稳定性，本文设计的X-Y-Z三自由度运动控制系统由可编程控制器、步进驱动模块、两相四线步进电机、位置传感器和机械结构以及上位机组态的运动监控系统组成，可实现X-Y-Z三维空间内任意位置坐标的精确定位和运行速度控制。该运动控制系统所使用主要元件清单见表1。

表1 X-Y-Z三自由度运动控制工作台主要元件清单

1 运动方式

X-Y-Z三自由度机械臂运动控制系统以S7-200SM ART PLC为核心部件可通过改变输入的运动速度、运动方向和位置坐标实现机械臂的运动控制具体功能如下：

（1）具有“开始”“停止”“复位”“急停”“位置保存”等功能，并可进行手动/自动操作方式切换。

（2）复位完成后，在自动控制方式下可以按手动示教保存到运动位置信息自动运行，运动轨迹如图1所示。

图1 三自由度机械臂运动轨迹

（3）在手动操作模式下，可实现机械臂在X-Y-Z三维空间任意位置的点动运动控制和位置信息保存。

（4）机械臂按照设定好的运动轨迹运行一周后回到初始位置。

2 步进驱动外部电路及参数

2.1 步进驱动电路

步进驱动器如图2所示。

图2 步进驱动电路

2.2 PLC控制电路

TB6600步进驱动器的上位控制器采用西门子S7-200Smart PLC CPU ST30的Q0.0、Q0.1和Q0.3分别为X轴、Y轴、Z轴，3轴提供高达100kHz高速脉冲，将3个输出端口分别接到3台步进驱动器的PUL+引脚，输出端口Q0.2、Q0.7和Q1.0分别为X轴、Y轴、Z轴输出方向信号分别接至步进驱动器的DIR+引脚。X轴位置传感器SB1、Y轴位置传感器SB2、Z轴位置传感器SB3分别连接PLC的I0.0、I0.1、I0.2输入端口，启动和停止开关分别连接I1.0、I1.1。

步进驱动器需要用+5V的控制信号来控制,而西门子S7-200Smart输出的是+24V的控制信号，所以需要在S7-200Smart PLC CPU ST 30和TB6600步进驱动器之间串联一个2kΩ的电阻使S7-200Smart PLC CPU ST 30的输出信号接近+5V,因为S7-200Smart PLC CPU ST 30是PNP接法，所以S7-200Smart PLC和TB6600步进驱动器之间应采用共阴接法。

3 PLC程序设计

S7-200Smart PLC CPU ST30支持多种运动模式和PWM、PTO两种脉冲输出方式，能够自由设置运动包络。通过运动控制向导对三自由度机械臂控制系统进行组态。

3.1 运动控制向导设置

（1）将轴0命名为X轴。选择测量系统为工程单位，设置电机转一圈所需要的脉冲数、测量单位、电机旋转一次产生多少“单位”的运动。

（2）点击RPS对X轴原点进行设置，选择I0.0为原点的输入信号。

（3）点击“电机速度”“JOG”和“电机时间”对电机的最大速度、最小速度、点动速度、加减速时间进行设置。

（4）点击启用“参考点”，设置电机的查找速度、查找方向。

（5）点击“储存器分配”，设置储存器分配地址。

（6）点击“组件”，选择所需的项目组件。

（7）打开映射查看端口地址。

（8）点击“生成”运动控制向导设置完成。

3.2 PLC程序

X-Y-Z三自由度机械臂控制系统主程序如图3所示。通过对子程序的编写调用，可以实现对机械臂的运动速度、方向、位置进行修改和保存，实现机械臂的手自动化运行。

图3 部分程序

4 人机界面设计

本文选用Wincc flexible组态软件实现上位机的监控设置功能，通过该方式可以实现与西门子S7系列PLC的快速连接通信，Wincc flexible和STEP 7-Micro/WIN SMART项目组态软件的密切联系能够有效缩短项目开发周期。该系统设计的人机界面主要包括用户界面和运动信息设置界面，各界面功能如图4所示。

图4 用户界面

5 结束语

本文设计的基于S7-200Smart PLC的三轴运动控制系统，可以广泛应用于工业生产中。控制精度能够达到0.01mm，操作方式简单，可以通过手动示教记录运动位置实现机械臂的自动运行。