黃文彬，郝晨君，孫宇鵬，夏雪婷

（南陽(yáng)理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 南陽(yáng)473004）

隨著工業(yè)的發(fā)展，在生產(chǎn)加工過(guò)程中對(duì)機(jī)械臂的控制精度和運(yùn)行速度的要求逐漸變高，而電機(jī)正是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，所以電機(jī)的控制精度和運(yùn)行速度就決定了機(jī)械臂的精度和速度，而多自由度機(jī)械臂還需要多個(gè)電機(jī)之間能夠協(xié)同運(yùn)行，使該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性得到了保證。該課題三自由度機(jī)械臂，用于一體化菌棒智能設(shè)備中的菌棒輸出單元，實(shí)現(xiàn)菌棒碼垛功能。多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間協(xié)同運(yùn)行的機(jī)械性能反映了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)的X-Y-Z三自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊、兩相四線步進(jìn)電機(jī)、位置傳感器和機(jī)械結(jié)構(gòu)以及上位機(jī)組態(tài)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三維空間內(nèi)任意位置坐標(biāo)的精確定位和運(yùn)行速度控制。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所使用主要元件清單見(jiàn)表1。

表1 X-Y-Z三自由度運(yùn)動(dòng)控制工作臺(tái)主要元件清單

1 運(yùn)動(dòng)方式

X-Y-Z三自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以S7-200SM ART PLC為核心部件可通過(guò)改變輸入的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制具體功能如下：

（1）具有“開(kāi)始”“停止”“復(fù)位”“急?！薄拔恢帽４妗钡裙δ?，并可進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)操作方式切換。

（2）復(fù)位完成后，在自動(dòng)控制方式下可以按手動(dòng)示教保存到運(yùn)動(dòng)位置信息自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

圖1 三自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡

（3）在手動(dòng)操作模式下，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在X-Y-Z三維空間任意位置的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和位置信息保存。

（4）機(jī)械臂按照設(shè)定好的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行一周后回到初始位置。

2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)外部電路及參數(shù)

2.1 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器如圖2所示。

圖2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 PLC控制電路

TB6600步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的上位控制器采用西門(mén)子S7-200Smart PLC CPU ST30的Q0.0、Q0.1和Q0.3分別為X軸、Y軸、Z軸，3軸提供高達(dá)100kHz高速脈沖，將3個(gè)輸出端口分別接到3臺(tái)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的PUL+引腳，輸出端口Q0.2、Q0.7和Q1.0分別為X軸、Y軸、Z軸輸出方向信號(hào)分別接至步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的DIR+引腳。X軸位置傳感器SB1、Y軸位置傳感器SB2、Z軸位置傳感器SB3分別連接PLC的I0.0、I0.1、I0.2輸入端口，啟動(dòng)和停止開(kāi)關(guān)分別連接I1.0、I1.1。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器需要用+5V的控制信號(hào)來(lái)控制,而西門(mén)子S7-200Smart輸出的是+24V的控制信號(hào)，所以需要在S7-200Smart PLC CPU ST 30和TB6600步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器之間串聯(lián)一個(gè)2kΩ的電阻使S7-200Smart PLC CPU ST 30的輸出信號(hào)接近+5V,因?yàn)镾7-200Smart PLC CPU ST 30是PNP接法，所以S7-200Smart PLC和TB6600步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器之間應(yīng)采用共陰接法。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

S7-200Smart PLC CPU ST30支持多種運(yùn)動(dòng)模式和PWM、PTO兩種脈沖輸出方式，能夠自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?duì)三自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置

（1）將軸0命名為X軸。選擇測(cè)量系統(tǒng)為工程單位，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的脈沖數(shù)、測(cè)量單位、電機(jī)旋轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生多少“單位”的運(yùn)動(dòng)。

（2）點(diǎn)擊RPS對(duì)X軸原點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，選擇I0.0為原點(diǎn)的輸入信號(hào)。

（3）點(diǎn)擊“電機(jī)速度”“JOG”和“電機(jī)時(shí)間”對(duì)電機(jī)的最大速度、最小速度、點(diǎn)動(dòng)速度、加減速時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。

（4）點(diǎn)擊啟用“參考點(diǎn)”，設(shè)置電機(jī)的查找速度、查找方向。

（5）點(diǎn)擊“儲(chǔ)存器分配”，設(shè)置儲(chǔ)存器分配地址。

（6）點(diǎn)擊“組件”，選擇所需的項(xiàng)目組件。

（7）打開(kāi)映射查看端口地址。

（8）點(diǎn)擊“生成”運(yùn)動(dòng)控制向?qū)гO(shè)置完成。

3.2 PLC程序

X-Y-Z三自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)主程序如圖3所示。通過(guò)對(duì)子程序的編寫(xiě)調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度、方向、位置進(jìn)行修改和保存，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的手自動(dòng)化運(yùn)行。

圖3 部分程序

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本文選用Wincc flexible組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控設(shè)置功能，通過(guò)該方式可以實(shí)現(xiàn)與西門(mén)子S7系列PLC的快速連接通信，Wincc flexible和STEP 7-Micro/WIN SMART項(xiàng)目組態(tài)軟件的密切聯(lián)系能夠有效縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人機(jī)界面主要包括用戶界面和運(yùn)動(dòng)信息設(shè)置界面，各界面功能如圖4所示。

圖4 用戶界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于S7-200Smart PLC的三軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。控制精度能夠達(dá)到0.01mm，操作方式簡(jiǎn)單，可以通過(guò)手動(dòng)示教記錄運(yùn)動(dòng)位置實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自動(dòng)運(yùn)行。