基于S7—200和EM253模块的三自由度机械手控制系统设计

彭庆翔

摘 要：三自由度机械手在工业生产中有广泛的应用。该文提出基于西门子S7-200PLC的三自由度机械手控制系统的设计方案，包括其硬件的组成，驱动机构的组成，以及基于S7-200PLC控制系统的构建，利用西门子定位模块EM253，以及使用PWM/PTO输出编程，实现机械手的3个自由度精确位置控制，其方法简单，效果良好，成本较低廉，在自动化生产线中有较高的实用价值。

关键词：三自由度机械手控制 西门子定位模块 PWM/PTO输出编程

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0052-02

1 课题的研究背景及意义

工业机械手是一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。其中，三自由度搬运机械手在生产中得到了广泛的应用[1]。三自由度机械手是具有3个方向，可以通过3个方向的直线运动，实现机械手在一定范围空间中的全覆盖工作。SIMATIC S7-200是一款微型PLC，它价格适中，性能良好，功能完善，能很好地适应自动化生产线中的控制中心的需要，在小型自动化生产设备中有很广泛的使用。基于SIMATIC S7-200的三自由度機械手，成本不高，能很好地完成生产线上的各种功能，因而有很高的实用价值。该文主要研究通过西门子S7-200PLC，利用EM253位置控制模块，实现三自由度机械手的运动控制，以满足生产实践的需要。

该文主要从硬件和软件两方面，简单叙述了机械手的驱动部分组成和特点，并较详细地阐述了机械手控制系统的构建以及位置控制的方法。

2 机械手的硬件组成

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构是机械手的机械本体部分，该文不做阐述。驱动机构的形式要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动[2]。电力驱动是机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400 kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。

2.1 机械手的控制系统

PLC是一种方便开发与联网的逻辑控制器件，在自动化生产线中也得到了广泛的应用[3]。该系统采用S7-200系列PLC。S7-200是德国西门子公司生产的一种小型可编程逻辑控制器。S7-200设计紧凑，有较强的扩展性，价格低廉，并且提供丰富的指令，能满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在工业控制中具有很强的适应性。

2.2 西门子定位模块EM253

西门子系统中实现运动控制的方式有很多，其中EM253定位模块使用简单、控制精确，可以控制从微型步进电机到智能伺服驱动器等各种电机。

如图1所示，此次三自由度机械手运动控制的方式选用如下：X轴采用方式EM253模块控制，Y轴采用Q0.0输出脉冲给伺服驱动器，Z轴采用Q0.1输出脉冲给步进驱动器。

3 控制程序编写

3.1 组态EM253位控模块

要进行位移控制必须为位控模块创建组态/包络表。启动位控向导，选择菜单命令，工具>位置控制向导，即可通过位控向导一步步完成整个组态过程。 在设置向导的指引下，一步步完成模块的设置，包括如下。

（1）输入模块的逻辑位置。

（2）输入系统的测量单位（“工程量”或“脉冲数/转”）。

（3）编辑输入、输出点配置。

（4）定义模板输入信号LMT+、LMT-、STP的功能。

（5）定义电机的速度。

（6）……

还有若干步骤，可以根据实际情况参考西门子EM253模块的使用手册进行设置，因篇幅有限不一一做阐述。当设置完毕后，在STEP-S7-200编程软件中就可以调用相应的子程序，实现运动控制。

3.2 位控模块编程

STEP 7-Micro/WIN软件为位控模块的组态和编程提供了便捷的方式。可以遵循下面步骤完成。

（1）组态位控模块。通过上文的位控向导，可以生成组态/包络表和位控指令。

（2）创建S7-200的执行程序。我们可以使用位控向导生成的位控指令，插入程序中，如插入一个POSx_CTRL指令，作为使能位控模块。用SM0.0（始终接通）以确保这条指令在每一个循环周期中都得到执行。要将机械手的电机移动到某个指定位置，使用POSx_GOTO或POSx_RUN 。POSx_GOTO指令移动电机到程序输入的指定位置。POSx_RUN则能按照位控向导中的路线移动。如图2所示为电机移动的示例程序。要使用绝对坐标进行移动，可以使用POSx_RSEEK或POSx_LDPOS指令来建立零位置，并进行移动。

根据控制按要求编写好程序后，编译并将系统块、数据块和程序块下载到S7-200PLC中即可完成机械手X轴的控制。

3.3 PWM/PTO输出编程

机械手的Y轴和Z轴可通过PWM/PTO输出Q0.0和Q0.1控制，如图3所示，西门子PLC给定了相应的特殊辅助继电器，以满足PWM/PTO脉冲输出控制的需要。其中左图SMB67、SMD72是控制Q0.0的输出脉冲，右图的SMB77、SMD82是控制Q0.1的输出脉冲。16#85是输出方式的设置，具体细节可以参考相关手册。图中SMD72和SMD82被设成10 000，表示电机移动10 000个脉冲数。另外，还需要设定SMW68和SMW78，分别表示两组脉冲的速度。如图4所示。此外，西门子也提供了预设好的脉冲输出MAP库子程序，可以让用户直接调用以实现脉冲输出控制，因篇幅有限，在此不做过多阐述。

4 结语

使用西门子S7-200系列PLC实现三自由度机械手的控制，方法简单，硬件配置价格低廉，编程过程并不复杂，有不错的实用价值，如有需要，S7-200PLC还可以通过ProfitBUS-DP现场总线方式，与多台PLC组网，完成生产线的自动控制，应用空间广阔，非常适合应用于小型自动化控制的场合。

参考文献

[1] 陶湘厅，袁锐波，罗璟.气动机械手的应用现状及发展前景[J]. 机床与液压，2007，35（8）：226-228.

[2] 张帆.三自由度机械手控制系统研究[J].电气时代，2010（10）：106-107.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.