基于S7-300的機(jī)械手控制系統(tǒng)研究

閆鑫

（貴州大學(xué)明德學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

隨著工業(yè)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度越來越高，我國的工業(yè)生產(chǎn)正在從勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式向著技術(shù)密集型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。近年來智能制造裝備領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，工業(yè)機(jī)器人作為智能制造領(lǐng)域的代表，在工業(yè)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展中起到了重要的作用。機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，能夠模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，按照設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)抓取、搬運(yùn)或者其他操作。

1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由手部、手臂、立柱、行走機(jī)構(gòu)、機(jī)座以及控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，手部的主要機(jī)構(gòu)分為傳力機(jī)構(gòu)和手指兩部分。（2）手臂將立柱和手指之間建立了連接，根據(jù)夾取目標(biāo)的需要調(diào)整手指的位置，手臂經(jīng)過動(dòng)力源的配合相應(yīng)的手指完成對(duì)工件的夾取動(dòng)作。（3）立柱不僅對(duì)手臂起到了很好的支持作用，還能夠根據(jù)夾取的需要帶動(dòng)機(jī)械手的手臂完成升降或者是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能夠根據(jù)工作需要進(jìn)行水平橫向運(yùn)動(dòng)。（4）行走機(jī)構(gòu)。機(jī)械手的行走機(jī)構(gòu)可以幫助機(jī)械手實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍的操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的整體運(yùn)動(dòng)。（5）機(jī)座。機(jī)座是支撐機(jī)械手以及各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支持機(jī)構(gòu)。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理圖

2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程設(shè)計(jì)

機(jī)械手根據(jù)不同的使用場(chǎng)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(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種類型。手動(dòng)控制主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在安裝調(diào)試過程或者機(jī)械手出現(xiàn)故障進(jìn)行維修時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各個(gè)控制步驟的單步操作。自動(dòng)模式又可以分為單周期操作和連續(xù)操作。單周期模式下，按下啟動(dòng)按鈕后機(jī)械手按照PLC控制器設(shè)定的程序，自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作，然后返回到并且停留在初始步。連續(xù)操作模式下，機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕后會(huì)連續(xù)不斷的循環(huán)操作。如果按下停止按鈕，機(jī)械手完成一個(gè)任務(wù)后停止，下一次任務(wù)需要按下啟動(dòng)按鈕才能進(jìn)行，如果出現(xiàn)緊急情況需要立即停止，可以按下急停按鈕，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程如圖2所示。

圖2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程圖

3 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器硬件選型

SIEMENS公司提供在自動(dòng)化科技領(lǐng)域的產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)。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(tǒng)選型

伺服控制系統(tǒng)由西門子S7-200系列PLC、松下MINAS A4系統(tǒng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、以及MHMD022G1U永磁同步交流伺服電機(jī)、伺服編碼器組成。松下MINAS A4系統(tǒng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種模式，同時(shí)具有過流保護(hù)和過熱保護(hù)功能。伺服驅(qū)動(dòng)器接收來自西門子PLC輸出的脈沖指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手平移。機(jī)械手移動(dòng)通過PLC Q0.4控制伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)，開關(guān)啟動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，PLC的方向控制信號(hào)Q0.3決定了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制機(jī)械手的移動(dòng)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(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后在光電元件的作用下將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，光電傳感器具有高精度、非接觸、反應(yīng)靈敏、可靠性高的特點(diǎn)。本文選用LJM12(18)A-4Z/NKS型光電開關(guān)，當(dāng)工件接近最左端的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，光電開關(guān)能夠?qū)⑤斎氲碾娏鬓D(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)，經(jīng)過同步選通電路，導(dǎo)通三極管，實(shí)現(xiàn)工件或者運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否到位檢測(cè)。

光柵傳感器的精度高，測(cè)量直線的精度可以達(dá)到0.5～3μm/3000mm，動(dòng)態(tài)范圍大，能夠廣泛應(yīng)用在靜態(tài)測(cè)量和主動(dòng)測(cè)量等領(lǐng)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(duì)移動(dòng)，使透射光強(qiáng)度呈現(xiàn)出周期變化的特點(diǎn)，光電元件表現(xiàn)出成周期性變化的電信號(hào)，通過檢測(cè)電信號(hào)得出工件的位移量。

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(fā)的組態(tài)和編程的軟件包，使用者可以根據(jù)自己的項(xiàng)目開發(fā)需要采用合適的版本。STEP標(biāo)準(zhǔn)軟件中含有一系列應(yīng)用程序：SIMATIC管理器、符號(hào)編輯器，NETPRO網(wǎng)絡(luò)配置、硬件配置、編程語言、硬件診斷。STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包功能和組成如圖3所示。

4.1 機(jī)械手控制I/O分配

根據(jù)機(jī)械手的控制流程，本文采用了17個(gè)PLC控制輸入點(diǎn)，5個(gè)PLC輸出點(diǎn)，能夠滿足機(jī)械手控制系統(tǒng)對(duì)于PLC I/O點(diǎn)數(shù)的控制要求，PLC輸入控制點(diǎn)的地址如表2所示，輸出控制點(diǎn)的地址如表3所示。機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC控制接線圖如圖4所示，其中機(jī)械手輸出端口通過控制繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的操作。

圖3 STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包組成

表2 輸入控制信號(hào)地址分配

表3 輸出控制信號(hào)地址分配

4.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手的控制程序分為手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序，自動(dòng)控制程序又可以分為單周期控制程序和連續(xù)控制程序。選擇機(jī)械手連續(xù)控制程序時(shí)，可以在任意時(shí)刻按下停止按鈕，機(jī)械手停止在任意位置，一旦按下“啟動(dòng)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(jī)械手控制程序根據(jù)PLC的I/O地址分配進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用上升沿微分指令（P）實(shí)現(xiàn)單按鈕控制機(jī)械手的單步動(dòng)作，可以明顯節(jié)省按鍵和PLC的I/O資源。選擇“單步”方式，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手只執(zhí)行一步動(dòng)作，其他控制方式時(shí)，M0.6始終得電，控制程序如圖6所示。

圖4 機(jī)械手控制系統(tǒng)接線圖

圖5 機(jī)械手連續(xù)控制PLC程序

圖6 機(jī)械手單步控制PLC程序

機(jī)械手動(dòng)作完成一次循環(huán)后，回到原點(diǎn)位置（I0.3），如果在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中沒有按下過停止按鈕，進(jìn)入到下一循環(huán)過程，開始下降（M2.0）抓取貨物。下降到位后，機(jī)械手下限位開關(guān)控制機(jī)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(shí)開關(guān)控制（T37）控制抓緊獲取，然后機(jī)械手開始上升（M2.2），上升到位（I0.2）后開始左行（M2.3）。機(jī)械手左行到位（I0.4）后，由M2.4開始控制機(jī)械手下降，然后依次完成機(jī)械手下降，松開放下獲取，然后機(jī)械手上升，上升到位后右行回到原點(diǎn)，機(jī)械手的部分控制程序如圖7所示。

5 結(jié)語

本文基于西門子S7-300控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了機(jī)械手控制的預(yù)期要求。本文根據(jù)機(jī)械手的控制要求確定了機(jī)械手PLC輸入和輸出的控制點(diǎn)，選取合適的PLC控制器、伺服系統(tǒng)以及傳感器，搭建了PLC控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)采用STEP7程序編寫，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的單步手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，根據(jù)不同的控制要求編寫了控制流程圖以及PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖7 機(jī)械手部分控制程序

[1] 李海禎,于復(fù)生,范國隆,國海芝,張佳麗.基于S7-200PLC的二自由度氣動(dòng)絹花拾取機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2018,46(03):5-6+11.

[2] 劉兆亮. 基于PLC控制的柔性生產(chǎn)線中自動(dòng)分揀系統(tǒng)的研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2017.