PLC200机械手控制系统设计

1、摘要机械工业的发展中，机械手已经广泛应用在各种自动化生产线上。搬运机械手的控制一直是机械手领域重要的研究课题之一。机械手作为一种重要的工业设备，在当今工业生产中占着举足轻重的位置。本次设计以电气工程及其自动化专业高地项目柔性自动化生产流水线作为支撑，设计搬运机械手的控制系统。根据课题的控制要求,确定搬运机械手的控制方案,设计控制系统电气原理图，进行控制系统电气元器件选型,完成PLC用户程序的设计,通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。关键词：机械手，PLC，步进电机，梯形图ABSTRACTWith t

2、he development of Machinery industry, the manipulator has been used widely in various automatic production lines. Carrying manipulator control has been important research problem in manipulator field. As an important industrial equipment, manipulator is a decisive position in the modern industrial p

3、roduction. This design to electrical engineering and its automation major highland project flexible automation production lines for support, design carrying manipulator control system. According to the control requirements, determine the subject of carrying manipulator control plan, design control s

4、ystem to control electrical diagram, electrical components selection, complete system user program design, PLC, ordered by simulative debugging of control the material move out from production lines and improve the safety of the accuracy, security, realize a complete set of flexible production line,

5、 make manufacturing process become more efficient. Key Words: Manipulator， PLC，Stepping motor，Ladder-diagram 目 录1绪论12机械手控制系统设计方案32.1 设计介绍32.2 机械手的工艺过程32.3 方案设计43机械手电气控制系统设计63.1电气原理图设计63.2 PLC的选型及参数143.3电器元器件的选型及参数154 机械手控制系统用户程序设计224.1 设计任务及要求224.2 I/O分配224.3 设计系统工作流程234.4 编程设计思路244.5 步进电机脉冲数的计算264.

6、6 模拟调试285设计总结346参考文献357致谢36附录37附录551绪论随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具机械手。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在

7、一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。在工业生产和其它领域内,由于工作的需要,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命。自从机械手问世以来,相应的各种难题迎刃而解。机械手一般由耐高温,抗腐蚀的材料制成,以适应现场恶劣的环境,大大降低了工人的劳动强度,提高了工作效率1。S7-200 PLC(Program Logic Controller)是德国西门子公司生产的小型可编程控制器，具有良好的可扩展性、价格低廉、指令功能强大，十分适合在机械手

8、控制系统中应用但一般在工业机器人执行机械手机构多为形状简单的夹钳式、托持式、吸附式等结构，其结构和抓握目标物的原理决定了其有限的抓握功能随着机器人应用范围的日益扩大和向智能化、拟人化方向的发展，其手部也有多指多关节的拟人化要求；另外在工伤、事故中断手的残疾人也需要功能价格比高的多关节机械手为此我们研制出一套新的基于S7-200 PLC的多关节机械手控制系统，该系统动作简便：线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率2。由于PLC控制受环境的限制，在使用过程中会受到各种干扰，影响系统的可靠性，因此必须采取各种抗干扰措施以提高控制系统的可靠性。随着工业

9、自动化的发展，机械手的出现大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，但传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。为解决以上问题，可以采用可编程控制器PLC控制的机械手控制系统3。PLC是一种以微处理器为核心的新型工业自动控制系统。它的最大特点就是体积小，功能强，响应速度快，可靠性高。控制过程通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性强等特点。机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上实现，当旋钮指向回原点时，系统自动地回到

10、左上角位置待命；当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作；当旋钮打向手动时，每一步均可在按下该工步按钮时动作4。2机械手控制系统设计方案电气控制系统是根据指令准确实现生产流程的重要核心，能够保证搬运机械手准确快速的完成工作。本次课题的目的就是根据工艺流程来硬件设计和软件编程，以满足搬运生产的需要，对搬运机械手尤为重要。2.1 设计介绍搬运机械手作为一种自动化设施，电气系统应完成预设的动作，实现货物的准确搬运。本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：控制系统能够根据PLC输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；控制系统具有状态显示功能，当设备运行时，各部件的运行状态用

11、绿色指示灯表示；当设备完成指定动作处于停止状态时，各部件的运行状态用红色指示灯表示，按下停止按钮和启动按钮后完成指示灯状态进行切换；控制系统能够保证搬运机械手针对不同生产任务的要求，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；按下急停按钮，能够立即停止工作，保证了生产的安全性。搬运机械手通过程序的改变，能自由的改变控制方法，实现柔性的生产控制。2.2 机械手的工艺过程机械手的工艺过程机械手的结构和各部分动作示意图，如图2-1所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降加紧工

12、件上升右移顺时针旋转再下降放松工件再上升逆时针旋转左移十个动作，完成一个工作周期。运动过程如图2-2所示。机械手的下降、上升、右移、左移、旋转等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。图2-1 机械手的结构和各部分动作示意图图2-2 机械手简单工作过程示意图2.3 方案设计本设计主要是在现有硬件设备条件下，通过软件编程，对于机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。主要由S7-200PLC来进行控制，通过步进电机，直流减速电机，电磁阀来控制搬运机械手的运动。控制系统结构图如图23所示。图2-3 机械手控制系统结构图由于PLC的抗干扰能力强，所以能

13、在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-4所示的机械手控制系统的功能框图。图2-4 机械手控制系统的功能框图机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动。步进电机的运行和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的顺时针旋转和逆时针旋转，步进电机控制机械手的上升、下降、左移和右移，电磁阀驱机械手爪的夹紧和放松。由于此次设计中，机械手的控制可以分为一个步骤来实现，因此，利用步进顺控法来进行编程较为容易实现。最后在S7-200PLC编程专用软件编程软件上进行输入编程，调试。3机械手电气控制系统设计在确定设计方案

14、之后，本章节将对机械手电气控制系统中的电气原理图设计。根据需要实现的功能以及整个系统的性价比对PLC和电气元器件的参数经行介绍以及选型。3.1电气原理图设计3.1.1 机械手电源回路机械手系统电气原理图，图3-1主要是通过交流220V接开关电源变成直流24V，当低压断路器QR1闭合，电气控制系统得电，熔断器的作用起电路保护作用，防止过大电流冲击。图中电源G1 G2 G3分别为PLC电源，步进电机电源和直流减速电动机电源。图3-1 机械手电源回路3.1.2机械手输入信号回路机械手系统PLC输入信号回路（一）如图3-2所示。SB1是伸出限位开关，接至PLC的I0.0输入。SB2是缩回限位开关，接至

15、PLC的I0.1输入。SB3是上升限位开关，接至PLC的I0.2输入。SB4是夹紧限位开关，接至PLC的I0.3输入。SB5是左旋限位开关，接至PLC的I0.4输入。SB6是右旋限位开关，接至PLC的I0.5输入。图3-2 PLC输入信号回路（一）机械手系统PLC输入信号回路（二）如图3-3所示。SB7是移动到位限位开关，接至PLC的I0.7输入。SB8是复位到位限位开关，接至PLC的I1.0输入。SB9是手动左旋开关，接至PLC的I1.1输入。SB10是手动右旋开关，接至PLC的I1.2输入。SB11是手动提升开关，接至PLC的I1.3输入。SB12是手动下降开关，接至PLC的I1.4输入。

16、SB13是手动伸出开关，接至PLC的I1.5输入。图3-3 PLC输入信号回路（二）机械手系统PLC输入信号回路（三）如图3-4所示。SB14是手动缩回开关，接至PLC的I1.6输入。SB15是手动/自动切换开关，接至PLC的I1.7输入。SB16是紧急停止开关，接至PLC的I1.8输入。图3-4 PLC输入信号回路（三）3.1.3机械手输出信号回路PLC输出信号原理图（一）,如图3-5所示。S7-200PLC的Q0.0是高速脉冲输出口，加到横向行走步进驱动器的PLS+，经过PLS-流回S7-200PLC的公共端，构成横向行走步进驱动器的行走脉冲来控制步进电机。S7-200PLC的Q0.1也是

17、高速脉冲输出口，高速脉冲信号经过2千欧的电阻限流，加到纵向升降步进驱动器的PLS+，经过PLS-流回S7-200PLC的公共端，构成纵向升降步进驱动器的升降脉冲来控制步进电机。S7-200PLC的Q0.2是机械手横向行走正反转控制端，通过2千欧的电阻限流，加到横向行走步进驱动器的DIR+，经过DIR-流回S7-200PLC的公共端，构成行走步进驱动器的正驱动和反驱动。来实现对行走步进电机正反转的控制，实现机械手的左移和右移的控制。S7-200PLC的Q0.3是机械手纵向上升、下降的控制端，通过2千欧的电阻限流，加到上升、下降步进驱动器的DIR+，经过DIR-流回S7-200PLC的公共端。构成

18、上升、下降进驱动器的正驱动和反驱动。来实现对上升、下降步进电机正反转的控制，实现机械手的上升、下降的控制。S7-200 PLC Q0.4、Q0.5是机械手转台左旋，右旋的控制端。图3-5 PLC输出信号回路（一）PLC输出信号原理图（二）,如图3-6所示。S7-200 PLC Q0.6、Q0.7是机械手手抓抓紧放松控制端。图3-6 PLC输出信号回路（二）3.1.4机械手转台控制回路机械手转台控制回路,如图3-7所示。当Q0.4为“1”即继电器KM1得电时直流减速电动机左旋。当Q0.5为“1”即继电器KM2得电时直流减速电动机右旋。图3-7 机械手转台控制回路3.1.5机械手横向运动控制电路横

19、向步进驱动回路如图3-8所示。主要控制机械手横向行走步进电机。当机械手没有发生行走越位时，继电器KS1线圈得电，继电器KS1常开触点闭合，横向行走步进驱动器就接到直流24V电源上。PLS+接到来自S7-200 PLC Q0.0发出的左右行走脉冲和DIR+接到S7-200PLCQ0.2的方向信号时，Q0.2为“1”时，行走步进电机控制机械手右移。Q0.2为“0”时，行走步进电机控制机械手左移。图3-8 机械手横向运动控制电路3.1.6 机械手纵向运动控制电路纵向步进驱动回路如图3-9所示。主要控制机械手纵向行走步进电机。当机械手没有发生上下越位时，继电器KS2线圈得电，继电器KS2常开触点闭合，

20、上下步进驱动器就接到直流24V电源上。PLS+接到来自S7-200 PLC Q0.1发出的上升、下降脉冲和DIR+接到S7-200 PLC Q0.3的方向信号时，Q0.3为“1”时，上升、下降步进电机控制机械手上升。Q0.3为“0”时，升降步进电机控制机械手下降。图3-9 机械手纵向运动控制电路3.2 PLC的选型及参数由于市场的需求和西门子PLC的广泛应用所以我选取的是S7-200.我们对其进行简要说明：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200 Micro PLC的 CPU22*系列PLC的CPU外型

21、图如图2-2，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地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解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200 CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。PLC CPU 22X的技术参数如表3-1所示表3-1 PLC CPU22X技术参数根据本系统的IO分配以及脉冲数出频率决定选用CPU 226 的S7 200PLC。3.3电器元器件的选型及参数表3-2 电器元件明细表序号名称型号数量备注1步进电机驱动器2M41222步进电

22、机2S42Q-29402控制X、Y轴3步进电机驱动器2M86014步进电机2S86Q-30801控制D轴5M系列永磁直流电动机M28-83116制动电阻117可编程控制器S7-200系列CPU 226CN1 续表328可编程控制器S7-200系列CPU 222CN1扩展I/O口9继电器JZ-11510按钮LA10-19启动用绿色停止用红色11旋钮LA18-22X212行程开关KW-76限位开关13槽型光电开关EE-SX670A214限流电阻2k6步进驱动器中15熔断器RL1-15616熔断器RL1-15417低压断路器DZ15-40/1118开关电源YL-003 24V6A23.3.1步进电机

23、的选型步进电机区别于其它控制用途电动机的最大特点是，它接受数字控制信号(电脉冲信号)，并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行组件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电机的应用日益广泛。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。基于步进电机在应用上的诸多优点，步进电机作为自动控制系统中的重要执行部件，已经在许

24、多工业控制系统中得到了应用。在计算机的外围设备(如打印机、卡片阅读机、主动轮驱动机构等)中总可以见到步进电机。步进电机也在数字控制系统、工具控制系统、程控系统中得到了广泛的应用。步进电机在精密小型电动机中是一种应用最为广泛的机种。下面是对步进电机的一个综合研究，包括步进电机的技术参数、细分驱动以及本课题用到的步进电机精确定位。3.3.2 步进电机（2S42Q-02940）的参数表3-3 步进电机技术参数型号2S86Q-3080步距角1.85%相电流（A）4.0保持扭矩（Nm）1.5阻尼扭矩（Nm）0.07相电阻（）0.9510%相电感（mH）3.420%电机惯量0.46电机长度L（mm）76引

25、线数量4绝缘等级B耐压等级300VAC1秒最大轴向负载（N）24最大径向负载（N）84工作环境温度-1045表面温升最高80（两相接通额定电流）绝缘阻抗最小100M，500VDC重量（kg）1.0引出线长度（mm）3005本课题用到的是两相步进驱动器来完成的步进驱动，PLC无法直接驱动步进电机，所以PLC的输出信号要先经过驱动器进行控制或者细分来使运动更加平稳。步进电机驱动器的构成步进电机驱动器的主要构成如图3-10所示, 一般由环形分配器、信号放大与处理、推动级、功率放大器等部分组成, 用于功率步进电机的驱动器还要有多种保护电路。步进电机的工作过程由控制器和计算机软件控制。环形分配器的功能和

26、步进电动机的速度控制由软件实现。就是在计算机数字控制系统中, 采用软件实现脉冲分配的方式。环形分配器接受来自步进脉冲发生器的CP脉冲, 并按步进状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的脉冲信号。并将此信号送入信号放大与处理。信号放大与处理器分配器出的信号加以放大, 变成足够大的信号送入推动级。推动级的作用是将较小的信号放大到足以推动功率放大器的输入信号。有时, 推动级还承担电平转换的任务。功率放大器直接与电机的各相绕组连接, 它接收来自推动级的信号, 控制电机各相绕组的导通与截止, 同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。保护级作用是根据需要设置的过电流、过热、过压、欠压保护等电路, 以保证

27、功率放大器的安全。环形分配器信号处理与放大环形分配器功率放大器保护图3-10 步进驱动器主要构成步进电机驱动回路的输入信号从PLC传送到步进驱动器后分为PLS和DIR分别代表脉冲和方向输入信号，根据输入信号步进驱动器输出脉冲信号驱动步进电机。本课题分别选用2个KINCO的2M412驱动器和1个KINCO的2M860来可满足搬运机械手中步进电机的运动要求。2M412步进驱动器和2M860步进驱动器，当控制器的控制信号为5V时，连接线路中的电阻为0；当控制器的控制信号的电压为24V时，为保证控制信号的电流符合驱动器要求，在连接线路中的加接2K的限流电阻。3.3.3 步进电机驱动（Kinco2M41

28、2）参数Kinco2M412 步进电机驱动器 (两相双极微步型)Kinco2M412步进电机驱动器的特点：表3-4 2M412步进驱动器技术参数供电电压直流12V-40V输出相电流0.2A-1.2A控制信号输入电流6-20mA冷却方式自然风冷使用环境要求避免金属粉尘、油雾或腐蚀性气体使用环境温度-10到+45使用环境湿度85%非冷凝重量0.13kg3.3.4 直流减速电机表3-5 永磁直流电动机技术参数型号额定电压（V）额定转速(r/min)额定转矩(mNm)额定电流(A)额定功率(W)M28-83124300050.171.543.3.5 继电器继电器是一种控制元件，根据外界输入信号（如电流

29、，电压，时间等）来接通或分析小电流(5以下)路的电器。它主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。本课题选用JZ11型继电器，具体技术参数参见表3-6。表3-6 JZ-11技术参数型号吸引线圈额定电压（V）吸引线圈消耗功率（W）触点额定电流（A）触点数量JZ-11直流12、24、48、110、220直流7.55动合动断6244263.3.6无触点行程开关光电开关是利用物体对光束的遮蔽，吸收或反射作用，对物体的位置，形状和标志符号等进行无接触检测。它具有体积小，可靠性高，检测精度高和响应速度快等优点。它广泛应用于各种生产设备中作为物体检测，液位检测，行程控制，产品计数，速度监测，尺寸控

30、制，宽度鉴别，自动门，人体接远开关和防盗警戒，成为自动控制系统和生产线中不可缺少的重要元件。光电开关是一种新兴的控制开关。在光电开关中最重要的是光电器件，把光照强弱的变化转换为电信号的传感元件。光电器件主要有发光二极管，光敏电阻，光电晶体管，光电耦合器等，它们构成了光电开关的传感系统。3.3.7行程开关行程开关主要用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短，行程开关也称位置开关。行程开关按结构分为机械结构的接触式有触电行程开关和电气结构的非接触式接近开关。接触式行程开关靠移动物体碰撞行程开关的操作头而使行程开关的常开触电接通和常闭触电分断，从而实现对电路的控制作用。在本课题中选

31、用KW-7型行程开关。3.3.8低压熔断器低压断路器又称自动开关。它是按规定条件，对配电电路，电动机或其他用电设备实行不频繁通断操作，线路切换，自动分断电路的开关电器，这种开关相当于刀开关，熔断器，热继电器和欠电压继电器的组合，并具有良好的灭弧性能，所以它是低压配电系统中的主要电器元件，作为线路及电源设备过载，欠电压及短路保护用。在本课题中选用DZ15-40/1型低压断路器，具体技术参数参见表3-7。表3-7 低压断路器的技术参数型号额定电压壳架电流脱扣器额定电流DZ15-40/1220/380406、10、16、20、25、32、403.3.9控制按钮控制按钮是一种短时接通或断开小电流电路的

32、手动主令电器。主要用于操纵接触器，继电器或电气连锁电路，以实现对各种运动的控制。按钮可以做成很多形式，以满足不同的控制或操作需要，结构形式有旋转式，指示灯式，紧急式，揿钮式，带锁式等。为了便于区分各按钮不同的控制作用，通常将按钮做成不同颜色以示区别，以避免误操作。本课题中选用8个LA10-1控制按钮。3.3.10熔断器熔断器是低压电路及电动机控制电路中一种最简单而有效地短路保护电器，应用十分广泛。它串联在电路中，当电路发生短路或严重过载时，如流过熔体的电流过大，它本身产生的热量将使熔体熔化而自动分断电路。表3-8 RL1-15型熔断器技术参数型号额定电压UN/V熔断器额定电流IN/A熔体额定电

33、流INR/ARL1-15直流440152,4,6,10总结：本次设计中的PLC选用西门子S7-200系列的CPU 226 CN DC/DC/DC，直流24V供电，直流数字量输入，晶体管直流电路输出类型。该PLC具有24个数字量输入点，16个数字量输出点，扩展模块数量可达7个。CPU内置了2个高速脉冲发生器，2个脉冲发生器分别以CPU本体的Q0.0和Q0.1作为输出通道。电机采用步进电机2S42Q-02940，步距角为1.8度，具有定位准确，转速范围大，分辨率高，低速运行平稳，功耗低等优点。步进驱动器采用与该步进电机相匹配的2M412，该驱动器具有脱机、错相保护功能，并采用交流伺服驱动原理，具备

34、交流伺服运转特性，三相正弦电流输出。具有最高可达10000步/转的细分功能，细分可以通过拨动开关设定，保证提供最好的运行平稳性能。输出相电流可以通过驱动器上的相应拨码开关进行设定。具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可以大大降低电机的发热。几乎无步进电机常见的共振和爬行区，输出相电流可通过拨动开关设定，运转噪声非常低，接近交流伺服的水平。方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。步进脉冲信号PLS用于控制步进电机的位置和速度，PLS脉冲的频率改变则同时是步进电机的速率改变，控制PLS脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位，这

35、样就可以很方便地达到步进电机调速和定位的目的。4 机械手控制系统用户程序设计本章针对机械手控制系统的用户程序经行设计。对设计任务要求、IO分配、系统工作流程、编程设计思路、步进电机脉冲数的计算以及模拟调试经行逐一地介绍。4.1设计任务及要求通过机械手搬运，把物料从生产流水线上搬运至装配单元，便于装配。机械手搬运的物料的重量为：200g2000g。机械手有上升、回转180度，伸缩功能，其速度范围：5cm10cm/s。整个控制系统能自动循环工作，也可手工调整。手动运行调试：当手动./自动开关I1.7为“0”时进入手动运行方式，分别按下左旋、右旋、提升、下降、伸出和缩回6个按钮，实现其对应的功能。自

36、动运行调试：当手动./自动开关I1.7为“1”时进入自动运行方式，依次实现下降伸出夹紧上升右旋下降放松缩回上升左旋动作。若在自动运行期间按下紧急停止按钮I2.0，机械手立即停止动作。4.2 I/O分配名称地址输入信号伸限I0.0缩限I0.1上限I0.2计数I0.3夹紧I0.4旋转左限I0.5旋转右限I0.6移动到位I0.7移动复位I1.0左旋I1.1右选I1.2提升I1.3下降I1.4伸出I1.5缩回I1.6手动/自动I1.7急停I2.0名称地址 输出信号 横向脉冲Q0.0纵向脉冲Q0.1横向方向（1为左移/0为右移）Q0.2纵向方向（1为上升/0为下降）Q0.3右旋KM5Q0.4左旋KM6Q

37、0.5放松HV1Q0.6夹紧HV2Q0.74.3 设计系统工作流程根据机械手动作以及需要实现的功能，设计出如图4-1所示的机械手控制系统流程图。图4-1 机械手控制系统流程图4.4编程设计思路根据上文中设计的状态流程图决定选用顺序控制的编程方式。而编程中的最大难点便是如何来实现PLC对步进电机的控制。由于步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行机构。所以我们需要选用PLC的PLUS指令来实现对步进电机的控制。而西门子S7-200系列PLC的PLUS指令可以使用3种方法生成，分别是软件向导自动生成的PTO程序，西门子提供的技术支持MAP库程序和利用E

38、M253模块。这3种方法都能提供精确的绝对位置和相对位置。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。1 在STEP7 Micro/WIN的“位置控制向导”指引下配置S7-200CPU内置的脉冲串输出（PTO）功能，通过Q0.0或Q0.1输出脉冲串来控制步进电机实现轴定位功能。2 使用“ MAP SERV” 指令库的功能块，通过Q0.0和Q0.2或Q0.1和Q0.3输出脉冲串来控制步进电机实现轴定位功能。3 使用EM253定位模块，在STEP7 Micro/WIN的“位置控制向导”指引下配置EM2

39、53定位模块和运动曲线包络实现定位功能。在下文中将分别对3中方法做简单的介绍。4.4.1（PTO）功能在完成向导配置后，增加如图4-2所示子程序。可用这些子程序来编写程序完成定位应用。图4-2 PTO库函数列表调用子程序PTOx_CTRL、PTOx_MAN、PTOx_RUN。PTOx_ADV用来停止单速连续旋转操作模式的包络曲线运动，PTOx_LDPO则用来改变PTO脉冲计数器的当前位置值。要改变电机运转方向只需将SIGN信号对应的输出点置位即可。4.4.2 “MAP SERV”指令库的功能块打开STEP7 Micro/WIN，新建项目，在项目树下可看到如图4-3 所示的库函数列表。图4-3

40、“MAP SERV”指令库函数列表然后，插入Q0_x_CTRL子程序，使用SM0.0作为EN输入的输入保证每个扫描周期该子程序都被执行。调用Q0_x_MoveVelocity子程序使轴按预设速度和方向匀速运行，可调用Q0_x_Stop子程序来停止。如果要实现相对运动、绝对运动则调用Q0_x_MoveRelative 子程序和Q0_x_MoveAbsolute 子程序。在绝对运动之前一定要调用Q0_x_Home 子程序寻找到参考点，这样每一点才能对应一个绝对位置值，绝对运动才可行。另外，Q0_x_LoadPos 子程序可改变脉冲计数器的当前位置值，Scale_EU_Pulse 子程序和Scale

41、_Pulse_EU 子程序可将工程单位值与脉冲数值间互相转换，给程序编制带来方便。4.4.3使用EM253定位模块在向导指引下完成EM253 位控模块配置后向STEP7 Micro/WIN 中添加如图4-4 所示子程序。图4-4 EM253定位模块库函数列表调用EM253 定位子程序实现定位时要先调用子程序POSx_DIS 使能伺服驱动器、POSx_CTRL 使能位控功能。然后，调用POSx_MAN 子程序实现手动控制电机旋转，调用POSx_RSEEK 寻参，调用POSx_GOTO 绝对运动到指定位置。PTO 模式和EM253 有向导辅助完成，因此使用相对简单。MAP_SERV 库函数方式使用

42、的硬件成本低实现功能多，但需要编写的程序要多一些。PTO 模式的硬件成本低，功能实现简单，但实现的功能少。EM253 的硬件成本相对高一些，功能实现简单，实现功能也最多。根据系统需要，硬件设备以及编程的难易程度我们选用MAP库指令来实现PLUS对步进电机的控制。解决了PLC对步进电机的控制问题以后，我们接下需要考虑的是具体脉冲数计算问题。4.5 步进电机脉冲数的计算针对本系统的硬件配置，要求对步进电机实现可控制的正向与反向定位控制、限定最大与最小速度的控制，加减速时间为1秒，具有急停等功能，步进电机通过联轴器直接与丝杠连接，丝杠的公称导程选择为10mm，对步进驱动器经行细分设置：细分系数设置为

43、10，根据电机与驱动器的细分系数计算出电机旋转一周需要200个脉冲信号，产生10mm位移。把步进电机的旋转速度转换成丝杠的直线位移，达到定位的目的。设定丝杠最大移动速度为10cm/s，最小移动速度为5 cm/s，纵向移动距离设为40mm，横向移动距离设为40mm。这些数据可以根据不同的控制要求进行计算得出。计算数据如下：脉冲当量 (4-1) 步距角公称导程 单位：mm传动比N 由于没有减速装置，传动比=1工作速度脉冲频率上限 (4-2)工作速度脉冲频率下限 (4-3)工作速度脉冲频率 (4-4)丝杠移动速度最大速度，最小速度，工作速度 单位：步进电机细分系数纵向脉冲数量 (4-5)横向脉冲数量

44、 (4-6)移动距离S 单位：4.6模拟调试4.6.1程序说明编制PLC控制程序的方法很多，主要的有以下几种典型的编程方法：图解法编程、经验法编程、计算机辅助设计编程。图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。在自动运行过程中由于机械手的控制可以分为一个个步骤来实现，因此，利用步进顺控法来进行编程较为容易实现。而在手动运行过程中需要程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及连锁关系明确，因此利用逻辑流程图法来实现。最后在S7-200PLC编程专用软件“STEP7-Micro/WIN32”3.2版本编程软件上进行输入编程，调试。接下来简单介绍下

45、程序的功能。手动运行过程：手动实现机械手转台的左旋以及右旋，并且互锁保证转台不会同时执行左旋和右旋两个动作。程序如图45所以图4-5 左右旋转控制程序地址位VD200表示最小运动速度，VD204表示最大运动速度，VD208表示步进电机从启动到匀速所需的加速度，程序如图46所示图4-6 赋值程序Q0.0 CTRL模块为MAP库指令中对横向脉冲的控制模块。该块用于传递全局参数，每个扫描周期都需要被调用。程序如图4-7所示图4-7 Q0.0 CTRL模块程序Q0.0 STOP模块为MAP库指令中的停止模块，用来保护电机安全不会出现过冲或者飞车的问题。当伸出限位开关或者缩回限位开关得到信号后立即停止机

46、械手的横向移动。程序如图48所示。图4-8 Q0.0 STOP模块图Q0.0 Move Velocity模块为MAP库指令中的速度模块。只能根据给定速度和方向匀速运行。按下伸出或缩回按钮机械手匀速横向移动。Velocity端为运动速度.Direction端设定伸出按钮为“1”时步进电机正转，即机械手伸出。程序如图49所示。图4-9 Q0.0 Move Velocity模块程序 自动运行：以开机后第一个动作为例介绍如何实现自动运行过程中的下降。状态S0.0中实现了机械手的自动下降过程。地址位V140.1决定机械手纵向移动方向。在S0.0得电后100ms后Q0.1 MoveRelative模块开始

47、工作。NUMPLUSE端为移动距离所对应的脉冲数，Velocity端为运动速度，Direction端设定地址位V140.1为“1”时步进电机正转，即机械手下降。程序如图410所示。图4-10 自动运行下降程序当走完给定脉冲数以后完成为V145.1置“1”,之后跳入状态S0.1，即伸出功能。同时复位地址位和计数器。程序如图411所示。图4-11 自动运行下降跳转程序状态S0.1（伸出）：将方向地址位V140.2置“1”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度横向移动实现伸出功能。走完给定距离以后完成为V145.2置“1”之后跳转到状态S0.2，即夹紧功能，同时将方向地址位和完成位复位。

48、状态S0.2（夹紧）：实现夹紧功能，在完成夹紧动作之后跳转到S0.3，即上升功能。状态S0.3（上升）：将方向地址位V140.1置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移动实现上升功能。走完给定距离以后完成为V145.1置“1”之后跳转到状态S0.4，即右旋功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S0.4（右旋）：实现右旋功能。由于每计一个数转台旋转6度，因此转180度需要计数30次。在计数器计数到30后跳转到状态S0.5，即下降功能，同时停止旋转复位中间继电器。状态S0.5(下降)：将方向地址位V140.1置“1”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移

49、动实现下降功能。走完给定距离以后完成为V145.1置“1”之后跳转到状态S0.6，即放松功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S0.6（放松）：实现放松功能，在完成放松动作之后跳转到S0.7，即缩回功能。状态S0.7（缩回）：将方向地址位V140.2置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度横向移动实现缩回功能。走完给定距离以后完成为V145.2置“1”之后跳转到状态S1.0，即上升功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S1.0(上升)：将方向地址位V140.1置“0”，等电100ms后，步进电机按照给定距离，给定速度纵向移动实现上升功能。走完给定距离以后完成为V145.1

50、置“1”之后跳转到状态S1.1，即左旋功能，同时将方向地址位和完成位复位。状态S1.1（左旋）：实现右旋功能。由于每计一个数转台旋转6度，因此转180度需要计数30次。在计数器计数到30后停止旋转功能。在自动运行过程中若按下急停按钮I2.0，机械手立即停止工作。若没有按下急停按钮在完成左旋功能后自动回到初始状态，进行第二个周期的自动运行。4.6.2故障及其解决方案首先用电脑在STEP-7-Micro/WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，然后点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中；其次按照设计的要求接好线，确定无误后过程。开始调试后发现手动控制基本达到了设计要求。然而在进行自动运行过程中无法实现整个工作流程，需要对其进行修正。在这种情况下我采取了以下方案：方案一：在没有确定设备是否曾在问题的情况下，首先我们对设备进行了检测，发现不曾在任何问题，在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整个过程以确定初次的接线过程是否有误，结果发现出现的问题仍然和之前一样。这样方案一就以失败告终。方案二：仔细检查自动控制所在的子程序，是否存在语法错误或者逻辑