基于S7-200PLC的步進(jìn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

陳偉卓，胡志剛

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南通226007）

0 引 言

隨著制造業(yè)、加工業(yè)的發(fā)展，很多地方需要將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制［1］。物料搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用普遍，一般的物料搬運(yùn)定位控制大多采用可編程控制器PLC 加脈沖定位模塊進(jìn)行定位控制，此方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件成本高［2］。本文介紹利用西門子S7-200CPU226 提供的PTO（Pulses Train Output）信號(hào)分別控制X 軸與Y 軸步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙軸機(jī)械手的精確定位。使用真空吸盤代替機(jī)械手手爪，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊材料的吸取與釋放。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、可以搬運(yùn)氣動(dòng)手爪無法搬運(yùn)的物料。

1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)與功能

該機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。底座及結(jié)構(gòu)件采用鋁合金型材，雙軸滑臺(tái)采用滾珠絲杠滑臺(tái)，Z 軸采用升降氣缸，下部安裝真空吸盤用于抓取工件。兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別通過聯(lián)軸器連接X 軸與Y 軸絲杠，通過PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)X 軸與Y 軸精確的定位，到達(dá)指定的位置后，由Z 軸升降氣缸控制真空吸盤動(dòng)作，真空吸盤用于吸取和釋放工件。

圖1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)械手為教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，操作模式分手動(dòng)和自動(dòng)方式兩種。通過觸摸屏來進(jìn)行操作，觸摸屏提供手動(dòng)和自動(dòng)操作按鈕，可分別進(jìn)入手動(dòng)與自動(dòng)操作界面。

1）手動(dòng)操作時(shí)，通過觸摸屏操作X 軸與Y 軸的正、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕，將機(jī)械手運(yùn)行至任何位置，并可進(jìn)行原點(diǎn)返回。上升與下降按鈕可實(shí)現(xiàn)Z 軸氣缸的上升與下降，吸取與釋放按鈕，可完成工件的吸取與釋放動(dòng)作。

2）自動(dòng)操作時(shí)，機(jī)械手可根據(jù)設(shè)定要求，在如圖2中的6 個(gè)工位中進(jìn)行搬運(yùn)，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)，可提出不同的要求來進(jìn)行訓(xùn)練。本文以圖2 的工件搬運(yùn)為例介紹，初始位置位于原點(diǎn)，先將工件從1 號(hào)位置搬運(yùn)至2 號(hào)位置，再由2 號(hào)位置搬運(yùn)至3 號(hào)位置，最后回到1 號(hào)位置，完成一個(gè)流程。

圖2 搬運(yùn)工件示意圖

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手吸取物料的真空吸盤由一個(gè)氣缸帶動(dòng)來完成上升與下降動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)Z 軸的運(yùn)動(dòng)。吸盤采用真空發(fā)生器完成物料吸放任務(wù)，升降氣缸與真空發(fā)生器分別由2 個(gè)二位五通雙電控電磁閥控制。升降氣缸上安裝單向節(jié)流閥，用來調(diào)節(jié)Z 軸運(yùn)動(dòng)的速度。選擇活塞帶磁性的氣缸，利用磁性開關(guān)來檢測(cè)升降動(dòng)作的到位與否。為了確保真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓能夠吸住物體，采用氣壓傳感器檢測(cè)負(fù)壓大小，機(jī)械手氣動(dòng)原理圖如圖3 所示。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 氣動(dòng)控制回路

機(jī)械手輸入信號(hào)有包括2 個(gè)磁性開關(guān)來檢測(cè)升降氣缸動(dòng)作是否到位；氣壓傳感器來檢測(cè)真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓能否吸住物體；X 軸與Y 軸分別為兩側(cè)限位及原點(diǎn)開關(guān)，同時(shí)配上啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停按鈕。輸出信號(hào)包括控制X 軸與Y 軸的脈沖與方向信號(hào)，氣缸升降、吸取與釋放電磁閥，加上啟動(dòng)、停止、復(fù)位指示燈。輸入共13個(gè)，輸出11 個(gè)，PLC 選用西門子S7-200CPU226 晶體管輸出型PLC，表1 所示為輸入輸出的具體分配。

表1 PLC 控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表

控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖4、圖5 所示。圖4 中，QF 為自動(dòng)空氣開關(guān)，主要控制PLC 電源與直流開關(guān)電源，同時(shí)具有短路、過載等保護(hù)。T1 為24V 直流開關(guān)電源，提供PLC輸入/輸出電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及觸摸屏的直流電源。

CPU226 的輸出端子Q0.0、Q0.1 提供高速脈沖輸出，作為控制X、Y 軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)。其中，Q0.2、Q0.3 分別為X 軸、Y 軸的方向輸入信號(hào)。為保證設(shè)備的安全性，在X 軸與Y 軸分別設(shè)置兩端極限安全限位，分別是SQ2、SQ3、SQ5、SQ6，若設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)超程，相應(yīng)開關(guān)會(huì)閉合，從圖5 中可以看出，此時(shí)KA 中間繼電器吸合，KA 兩對(duì)常開觸點(diǎn)分別接通兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能端，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。Y4-Y12 主要驅(qū)動(dòng)3 只指示燈與4 只電磁閥線圈，負(fù)載電壓均為直流24 V。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 機(jī)械手控制系統(tǒng)電氣原理圖（一）

圖5 機(jī)械手控制系統(tǒng)電氣原理圖（二）

STEP7—Micro/WIN 提供的位控向?qū)Э梢詭椭脩艉芊奖愕赝瓿蒔WM、PTO 或位控模塊的組態(tài)。向?qū)Э梢陨晌恢弥噶?，用戶可以用這些指令在其應(yīng)用程序中為速度和位置提供動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)組態(tài)一個(gè)輸出為PTO 操作時(shí)，生成一個(gè)50%占空比脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的開環(huán)控制。內(nèi)置PTO 功能提供了脈沖串輸出，脈沖周期和數(shù)量可由用戶控制。但應(yīng)用程序必須通過PLC 內(nèi)置I/O 提供方向和限位控制。

STEP7 V4.0 軟件的位控向?qū)茏詣?dòng)處理PTO 脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調(diào)制、SM 位置配置和創(chuàng)建包絡(luò)表。表2 是雙軸裝置上實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。

根據(jù)機(jī)械手自動(dòng)控制要求，設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。機(jī)械手起始在原點(diǎn)位置，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手首先前進(jìn)至1 號(hào)位置，在X 軸方向，1 號(hào)位置距離原點(diǎn)為11.9 mm，在Y 軸方向，1 號(hào)位置距離原點(diǎn)為49.4 mm，選用步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，在無細(xì)分的條件下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要360°/1.8°=200 個(gè)脈沖，為了提高控制的精度，將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分系數(shù)選為4,此時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要200×4=800 個(gè)脈沖。由于機(jī)械手絲杠的螺距為5 mm，因此，在X 軸方向發(fā)送11.9×800÷5=1904 個(gè)脈沖，在Y 軸方向發(fā)送49.4×800÷5=7904 個(gè)脈沖，可到達(dá)1 號(hào)位置。

表2 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

機(jī)械手到達(dá)1 號(hào)位置時(shí)，Z 軸氣缸下降吸取工件后上升，前進(jìn)至2 號(hào)位置，在X 軸方向，2 號(hào)位置距1 號(hào)位置為160 mm，在Y 軸方向，2 號(hào)位置距1 號(hào)位置為140 mm，因此需要發(fā)送脈沖分別為160×800÷5=25 600 個(gè)與140×800÷5=22 400 個(gè)。

圖6 機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖

機(jī)械手到達(dá)2號(hào)位置，進(jìn)行工件釋放，釋放后延時(shí)2 s，再進(jìn)行工件吸取，并前進(jìn)至3 號(hào)位置。在X 軸方向，3 號(hào)位置距2 號(hào)位置為0 mm，在Y 軸方向，3號(hào)位置距2 號(hào)位置為160 mm，因此，X軸不需發(fā)脈沖，Y 軸發(fā)送22 400 個(gè)。到達(dá)3 號(hào)位置進(jìn)行工件釋放，釋放后延時(shí)2 s，回到1 號(hào)位置，進(jìn)入下一個(gè)周期。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)運(yùn)用了PLC 技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)等，通過PLC 編程，可實(shí)現(xiàn)任一位置的精確定位功能。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行可靠、定位精確、使用效果良好。該實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)發(fā)揮了很大作用，對(duì)學(xué)生PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、觸摸屏、氣動(dòng)控制等的技能提升幫助很大。

［1］ 余朝剛，劉啟中，王宇嘉，等.PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)教學(xué)機(jī)械手［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（2）：98-100，122.

［2］ 張海英，劉勝明.基于PLC 的氣動(dòng)吸盤式工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2010（11）：32-33.