黃文彬，郝晨君，孫宇鵬，夏雪婷

（南陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 南陽473004）

隨著工業(yè)的發(fā)展，在生產(chǎn)加工過程中對機械臂的控制精度和運行速度的要求逐漸變高，而電機正是機械臂運動的動力來源，所以電機的控制精度和運行速度就決定了機械臂的精度和速度，而多自由度機械臂還需要多個電機之間能夠協(xié)同運行，使該運動機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性得到了保證。該課題三自由度機械臂，用于一體化菌棒智能設(shè)備中的菌棒輸出單元，實現(xiàn)菌棒碼垛功能。多個運動部件之間協(xié)同運行的機械性能反映了運動控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計的X-Y-Z三自由度運動控制系統(tǒng)由可編程控制器、步進驅(qū)動模塊、兩相四線步進電機、位置傳感器和機械結(jié)構(gòu)以及上位機組態(tài)的運動監(jiān)控系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)X-Y-Z三維空間內(nèi)任意位置坐標(biāo)的精確定位和運行速度控制。該運動控制系統(tǒng)所使用主要元件清單見表1。

表1 X-Y-Z三自由度運動控制工作臺主要元件清單

1 運動方式

X-Y-Z三自由度機械臂運動控制系統(tǒng)以S7-200SM ART PLC為核心部件可通過改變輸入的運動速度、運動方向和位置坐標(biāo)實現(xiàn)機械臂的運動控制具體功能如下：

（1）具有“開始”“停止”“復(fù)位”“急?！薄拔恢帽４妗钡裙δ埽⒖蛇M行手動/自動操作方式切換。

（2）復(fù)位完成后，在自動控制方式下可以按手動示教保存到運動位置信息自動運行，運動軌跡如圖1所示。

圖1 三自由度機械臂運動軌跡

（3）在手動操作模式下，可實現(xiàn)機械臂在X-Y-Z三維空間任意位置的點動運動控制和位置信息保存。

（4）機械臂按照設(shè)定好的運動軌跡運行一周后回到初始位置。

2 步進驅(qū)動外部電路及參數(shù)

2.1 步進驅(qū)動電路

步進驅(qū)動器如圖2所示。

圖2 步進驅(qū)動電路

2.2 PLC控制電路

TB6600步進驅(qū)動器的上位控制器采用西門子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100kHz高速脈沖，將3個輸出端口分別接到3臺步進驅(qū)動器的PUL+引腳，輸出端口Q0.2、Q0.7和Q1.0分別為X軸、Y軸、Z軸輸出方向信號分別接至步進驅(qū)動器的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，啟動和停止開關(guān)分別連接I1.0、I1.1。

步進驅(qū)動器需要用+5V的控制信號來控制,而西門子S7-200Smart輸出的是+24V的控制信號，所以需要在S7-200Smart PLC CPU ST 30和TB6600步進驅(qū)動器之間串聯(lián)一個2kΩ的電阻使S7-200Smart PLC CPU ST 30的輸出信號接近+5V,因為S7-200Smart PLC CPU ST 30是PNP接法，所以S7-200Smart PLC和TB6600步進驅(qū)動器之間應(yīng)采用共陰接法。

3 PLC程序設(shè)計

S7-200Smart PLC CPU ST30支持多種運動模式和PWM、PTO兩種脈沖輸出方式，能夠自由設(shè)置運動包絡(luò)。通過運動控制向?qū)θ杂啥葯C械臂控制系統(tǒng)進行組態(tài)。

3.1 運動控制向?qū)гO(shè)置

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

（2）點擊RPS對X軸原點進行設(shè)置，選擇I0.0為原點的輸入信號。

（3）點擊“電機速度”“JOG”和“電機時間”對電機的最大速度、最小速度、點動速度、加減速時間進行設(shè)置。

（4）點擊啟用“參考點”，設(shè)置電機的查找速度、查找方向。

（5）點擊“儲存器分配”，設(shè)置儲存器分配地址。

（6）點擊“組件”，選擇所需的項目組件。

（7）打開映射查看端口地址。

（8）點擊“生成”運動控制向?qū)гO(shè)置完成。

3.2 PLC程序

X-Y-Z三自由度機械臂控制系統(tǒng)主程序如圖3所示。通過對子程序的編寫調(diào)用，可以實現(xiàn)對機械臂的運動速度、方向、位置進行修改和保存，實現(xiàn)機械臂的手自動化運行。

圖3 部分程序

4 人機界面設(shè)計

本文選用Wincc flexible組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機的監(jiān)控設(shè)置功能，通過該方式可以實現(xiàn)與西門子S7系列PLC的快速連接通信，Wincc flexible和STEP 7-Micro/WIN SMART項目組態(tài)軟件的密切聯(lián)系能夠有效縮短項目開發(fā)周期。該系統(tǒng)設(shè)計的人機界面主要包括用戶界面和運動信息設(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

本文設(shè)計的基于S7-200Smart PLC的三軸運動控制系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中?？刂凭饶軌蜻_到0.01mm，操作方式簡單，可以通過手動示教記錄運動位置實現(xiàn)機械臂的自動運行。