徐健宁
【摘 要】本文介绍一种基于S7-200 SMART的生产线机械手的设计，其广泛的应用于流水线搬运环节。本设计由PLC、驱动装置、气动装置、滑台和机械手组成。本文重点介绍使用STEP 7-MicroWIN SMART的运动向导实现步进电机协调运动的控制方法。经过调试本设备可以满足误差小于0.5mm的工件搬运工作。
【关键词】PLC；机械手
0 引言
随着工业4.0的概念不断深入工业控制，信息化由一种趋势变成一种必然，SIMATIC S7-200 SMART是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款高性价比小型PLC产品。SMART系列在原有串口的基础上，增加以太网接口，使其接入工业网络更为便捷。滑台与机械手的移动采用步进电机带动丝杠移动，机械手的伸缩与抓取采用气动控制。限位开关用于控制机械手移动位置，铁传感器用于检测机械手的工作状态。本设计所用主要元件如下表所示：
本系统采用西门子S7-200 SMART PLC、步进电机、步进驱动、位置传感器、限位开关等构成的闭环运动控制系统。通过改变输出给步进驱动的脉冲数量、频率、方向，来控制步进电机的运动速度、位移量、方向的控制目的，再根据各传感器的反馈信号来做出工件的抓取和放置。具体功能如下几点所述：
（1）上电自复位功能。
（2）根据上位机（PC、PLC、工厂设备）控制信息及传感器反馈信号来做出对件的抓取、放置、搬运。
（3）完成一次工件搬运后返回设备初始位置。
1 硬件电路及参数设置
1.1 步进驱动控制
步进电机主要用于滑台和机械手移动的驱动。S7-200 SMARTPLC不能直接驱动步进电机，通常采用配套的步进驱动器完成驱动工作。本设计采用步进驱动器的输入端口有： VCC/GND为24V电源输入口，PUL+/PUL-为脉冲输入端口，DIR+/DIR-为方向信号输入端口，ENA+/ENA-为脱机信号输入端（可不接）。输出的端口有：A+/A-/B+/B-四个端口接四线步进电机的两个线圈。本设计使用的S7-200 SMART ST20是晶体管输出，因此步进驅动器输入端口可以采用共阴接法。步进电机驱动器脉冲信号和方向信号输入电压为5V，本设计采用的PLC输出电压是24V，因此需要在PLC与步进驱动器间串联2K的电阻限流。
1.2 气动控制
机械手伸缩及其抓取采用气动控制。直行气缸的伸出、缩回，手指气缸的抓取、放置，均采用二位五通电磁阀来控制。PLC两个输出即可实现二位五通电磁阀的控制，控制简单可靠。
1.3 PLC控制电路
步进电机驱动控制、启动控制的上位控制器采用西门子S7-200 SMART PLC CPU ST20，其为标准的晶体管输出型CPU模块，模块本体集成了1个以太网接口和1个RS485接口。该CPU模块的Q0.0、Q0.1两个输出端子可提供两轴100kHz高速脉冲输出，分别连接至两台步进驱动器的PUL+端口。Q0.2，Q0.7作为方向控制信号连接至驱动器的DIR+端口，PLC与驱动器接线如图1所示。PLC的12个输入端使用分配为：位置传感器4个、气缸磁性传感器3个、工件传感器2个、触发传感器3个。PLC输出端除控制步进电机的4个外，再分配两个输出端去完成气动控制。
2 PLC程序设计
西门子S7-200 SMART PLC CPU ST20的两路高数脉冲输出支持PWM和PTO输出方式及多种运动模式，可以自由设置运动包络。PWM（脉宽调制）方式中，输出脉冲的周期是固定的，脉冲的宽度（占空比）是由程序来调节，可以调节电机的速度、阀门开度等。在PTO方式中，输出脉冲可以组态为多种工作模式，包括自动寻找原点，可以实现对步进电机进行控制，达到调速和定位的目的。本文主要介绍采用ST20 CPU本身所带的Q0.1与Q0.1输出端子，通过运动控制向导设置必要参数，组态PTO高速脉冲输出的方式，完成调速和定位等控制功能的方法。
2.1 运动控制向导设置
（1）运动向导有两种打开方式。一种方法是：打开向导，点击“运动”；另一种是：在菜单栏内点击“工具”，选择“运动”、
（2）选择要组态的轴，并将所操作轴名称改为对应的名称。
（3）选择测量系统为“工程单位”，根据所调步进电机驱动器细分数来设置“电机一次旋转所需脉冲数”。根据设备的标准选择“测量基本单位”，并设置其每次旋转能产生基本单位的量。
（4）设置“方向控制”参数。
（5）设置电机的最大速度、最小速度、起停速度及起停时间
（6）选取所要生成的的子程序。
（7）另外一个轴参数设置与以上所述步骤相同。
（8）点击“生成”完成向导设置
2.2 梯形图程序设计
设备的上升、下降、左右移动、抓取及放置有很多重复的步骤，子程序可以避免重复编写程序，优化程序的编写和阅读。机械手的动作始终按照一定的步序完成，使用西门子PLC的顺序控制指令编写非常方便，其工序图如图2所示：
3 总结
本文设计是基于西门子S7-200 SMAT的生产机械手，本设计结构简单，控制灵活，经济可靠，可以作为工厂生产搬运设备或其他需要搬运环节的一个参考。可以通过改变机械手的结构和形状，使其适应不同对象的抓取；可以通过对步进电机和驱动的调整，实现更高的精度和更高的速度；可以通过修改PLC输出的包络曲线，调整滑台移动是启动与停止的平顺性。总之，本设计仅仅提供一个设计的模型，可以根据用户的不同需求进行调整，且结构简单、经济可靠，具备一定的市场推广价值。
【参考文献】
[1]廖常初.S7-200 SMART PLC编程及应用 第二版.北京：机械工业出版社.2014.12.
[2]西门子（中国）有限公司.S7-200 SMART 可编程控制器系统手册.2013.
[3]赵春生.可编程控制器应用技术[M].北京：人民邮电出版社.2008.
[4]廖常初.S7-200 SMART PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社.2015.endprint
