基于西门子S7-200PLC的机械手控制器的设计

摘 要：文中对机械手控制器的总体设计方案进行了合理分析和科学论证，设计了以西门子PLC S7-200为核心器件，完成机械手的行动控制系统。文中对硬件系统和主要功能模块进行了设计和规划，其中系统硬件设计模块主要包含PLC系统、保护系统、提示系统和控制系统等四个模块。同时，采用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9对系统进行软件设计，并对主模块进行了分析和讲解。

关键词：PLC;机械手;控制器;多模式

生产力的不断进步推动了科技的进步与革新，建立了生产与科技更加合理的生产关系。随着科技的发展，越来越多高危、高污染地区不适合人工操作，机械手应用技术在不断地提升中，代替人工。机械手是工业自动化最突出的表现，它能自动执行工作，靠的就是自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机械手还可以全天候不停进行重复、单调、简易的工作，提高效率的同时还能减少成本，增强自身在同行间的竞争力。随着自动化理论的提升和各行业需求，机械手技术迅速发展起来。

1 设计重点和思路

使用西门子PLC（S7-200）为主控结构，设计一款多功能机械手，实现对产品位置的检测和转移功能。本系统主要由电磁式传感器、西门子PLC、电动机、可弹式按钮开关和两位三通电磁阀组成。

1.1功能要求

切换开关用来决定工作模式：手动和自动。

手动模式下可以任意方向操作，前进、后退、下降、上升、左移、右移。

自动模式下可以执行设定好的路径，到达产品抓取位置抓取产品，并移动到指定放摆放区，回到原点。

1.2设计要求

（1）通过PLC控制电机运动距离;

（2）电磁阀控制气缸动作;

（3）转换开关控制模式切换;

2 系统总体方案设计

2.1总体设计方案

手臂动作设计方案有两种：气动和轴动。

2.1.1采用气动方式控制机械手

采用气动方式，机械臂左右移动和上下移动由气缸来带动，动作的距离根据气缸本身长短来决定，并且只有最大值和最小值两个固定点，自由度较为限制。但可以实现目标的移动，气缸价格便宜。

2.1.2采用轴控制技术

轴动方式，即机械手的各个手臂各被一个电机控制，可以随时停在手臂上的任意位置，加上编码器，还可以实时反馈位置信息。

通过上述两个方案的比较、综合考虑后，选取（2）方案最为合理。轴动控制相对气动控制更为灵活、移动更为稳定。

2.2机械手手爪设计方案论证

机械手手爪设计方案[1]主要有两种：

方案一：同样采用小伺服电机来控制手爪。

方案二：采用小气缸来控制手爪。

通过对比以上两种设计方案，方案二相对优先，气缸式带有一定的弹性，可减少对产品抓取时产生的损害;采用方案一电机式，要添加一个压力检测，防止盲目抓紧破坏产品，费用增加，且有一定威胁性，因此采用方案二。

3 模块选用及功能阐述

3.1西门子PLC S7系列的介绍及构成说明

在西门子公司所有的PLC系列[2]中S7系列PLC是使用最多的，S7系列包括S7-200 PLC、S7-300 PLC和S7-400 PLC。S7-200PLC具有体积小、接口可拓展、价格便宜、强大的指令系统，在一般情况下都有可以满足控制系统的要求。当选择的主机没有想要的控制功能时，需要对硬件部分加装拓展模块。扩展模块包括：数字模块、模拟模块、通讯模块和功能模块四类。设计中可根据要求来选择所需的扩展模块，增强功能。

3.2S7-200 CPU存儲器的类型

输入继电器（I）、输出继电器（Q）、通用辅助继电器（M）、特殊继电器（SM）、顺序控制继电器（S）、定时器（T）、计数器（C）。

4 硬件设计与制作

4.1 硬件设计

4.1.1 PLC模块介绍

PLC的特点完全可以胜任工厂需求：

①抗干扰能力强，可靠性极高;

②PLC可用梯形图、语句表、功能模块图编程;

③有丰富的内部功能，定时、计数、自检、模数，数模转换等功能;

④具有通信功能;

⑤模块拓展功能。

4.1.2材料清单

本文中使用到的所有硬件材料见表1。

4.1.3 输入输出信号地址分配表

输入端管脚分配如表2所示，输出端口与外部连接分配如表3所示。

根据I/O表观察，需要的端口数量大于常规CPU端口，因此选择添加一个数字模块EM223来增多输入输出口。如图1所示。

4.1.4 主机PLC管脚接线

主机PLC管脚接线如图2所示。

4.2 整体接线

电能源从220V的生活用电接入，连接到空气开关，空开连接交流接触器和开关电源，交流接触器连接交流继电器最后接到热继电器，连接电机。开关电源变电压为DC24V，接到PLC，PLC输出端接各电机正反转接触器，以及各种指示灯;PLC输入端接感应器和操作按钮。如图3所示。

4.3  硬件

传感器、控制开关、开关电源、空气开关、交流接触器、减压阀、气控电磁阀。

5 系统软件设计

5.1 系统主要模块

程序主要分为三个模块，控制模式选择程序、动作指示灯程序、控制范围控制程序。

在STEP7-micro/win软件中，编好程序，编译矫错，最后编译通过，点击“菜单栏”中的“文件”，点击导出，生成“.awl”文件。

系统软件实现详细步骤：

启动程序，首先实现系统的通电，然后电源指示灯亮起。通过所有的传感器来判断是否在原点。选择模式档位，信号从遥控器传至PLC，亮起对应的信号灯。经由开关按钮控制，做出预期动作。

5.1.1 系统主程序流程

主程序流程图，如图4所示

5.1.2 控制模式选择程序

在打开控制电源后，手动、自动、回原点模式之一会处于通电状态，等待按下使能按钮。按下后，进入相应模式。再运行期间可以切换模式。

5.1.3动作指示灯程序

按下相应按钮后，会输出2个信号，一个动作信号，一个指示灯信号，根据指示灯来判断当前机器的运作情况。也可以指示灯判断设备或程序是否故障。

5.1.4控制范围控制程序

当机器运作或误碰的情况下，可能出现失控状态，接近开关装在一个相对极限的位置，当机器出现在接近开关的位置时，判断为失控状态，切断当前方向的供电，起到保护作用。

5.2 系统软件主要程序分析

5.2.1 模式选择

进入手动、自动和回原点模式如图5所示。

电源上电：I0.0常开闭合（打开电源），I0.1（关闭电源）常闭闭合，Q2.2（电源得电指示灯）得电亮灯。

手动模式启动：Q2.2得电后闭合I0.2（手动按钮），Q0.7（手动模式指示灯）得电亮灯，如果切换模式：打到I0.3（自动模式档位）或I0.4（回原点档位），则Q0.7失电熄灭。退出手动档。

自动模式启动：Q2.2得电后闭合I0.3（自动档位），再按下一次I0.5（使能按钮），此时Q1.0（自动模式指示灯）亮灯，并自锁使能按钮。如果切换模式：打到I0.2（手动模式档位）或I0.4（回原点档位），则Q1.0失电熄灭。退出自动档。

回原点模式启动：同理，电源得电后，打到I0.4（手动档位），再按住I0.5（使能按钮），Q1.1得电（进入回原点模式）。各部位回原点（I1.7、I2.0和I2.2都断开）、放开使能按钮或切换档位，退出回原点模式。如已在原点位置，则等待换模式。

5.2.2 手动模式

手动前进和后退动作如图6和图7所示。

手动前进：

手动模式下再按住使能按钮，再按住前进按钮（I0.6），M0.1线圈得电，M0.1常开开关闭合，Q0.1得电，给前后电机发出正转信号，同时前进信号灯亮（Q1.2）。在遇到前进限位开关（I1.6）时，I2.6常闭断开，阻断电机正转（Q0.1失电）。当电机故障时，前后热继电器（I2.6常闭）断开，也可以阻断电机供电。如图5.4所示。

手动后退：

手动模式下再按住使能按钮，再按住后退按钮（I0.7），M0.2线圈得电，M0.2常开开关闭合，Q0.2得电，给前后电机发出反转信号，同时后退信号灯亮（Q1.3）。在抵达后退极限区域时（I1.7得电），阻断电机继续反转（Q0.2失电）。当电机故障时，前后热继电器（I2.6常闭）断开，也可以阻断电机供电。如图5.5所示。

5.2.3 回原点模式

回原点模式后如图8所示。

Q1.1常开闭合（回原点信号），使得M0.2得电（控制前进电机反转后退）。一直退回到后退限位（I1.7常闭断开）停止动作。

后退限位的常开闭合I1.7，M0.3得电（控制左右电机反转左移）。直到触碰到左限位（I2.0常闭断开）。

为了保证回原点时是一步一步有序进行，所以要先判断I1.7（在后极限位）和I2.0（在左极限位）是否已完成复归动作（极限位常开闭合为已完成），条件都满足后M0.5（上下电机反转）得电，手臂开始上升。达到上限位停止。

现在，前后、左右和上下都在原點，I1.7、I2.0和I2.2常闭断开，中断回原点命令。

5.2.4 自动模式

自动模式下按使能键一次，即会自锁自动模式状态。如图9所示。

在执行自动模式前，先判断是否在原点位置，如果在则M2.0（自动模式---已到达原点）得电。否则，机械手各部先回原点。

各手臂依次回到原点后，M2.0线圈得电，M2.0的常闭全都断开，防止继续回原点，阻碍后续动作的执行。

之后，以M2.0的常开闭合为触发点，激活第一个动作，每完成一个操作，都相应会发出一个信号，以该信号为下一个动作的触发点，以此类推。

在运行到最后一个动作时，发出的信号会切断M2.0的通电，回原点指令激活，继而开始回原点。周而复始至切换模式或电机热保护动作（M3.0常开断开）。

6 结语

本设计是以PLC为主控器件的机械手，结构简单，但满足设计要求，运行效果也不错，而且还具有较高的可行性和可塑性，甚至能在一些高危、高污染地区也可正常工作。PLC又具有可编程和拓展模块的能力，本系统有较明显的模块划分，也便于以后的设备升级，符合现代工厂的条件。

参考文献：

[1] Yan-Jun X， Jing Z， Yu-Ming G， et al. The Research of Automatic Mold Manipulator Control System on PLC[C]. Wase International Conference on Information Engineering. IEEE Computer Society， 2010： 200-203.

[2] 王伟.可编程序控制器的使用和维护[M].化学工业出版社，2005.

作者简介：

陈瑞兵（1978-），男，汉族，广东高州人，本科，广东东莞理工学校担任机械讲师，主要研究方向：数控加工，模具设计及制造。

（东莞理工学校，广东 东莞 523470）