張伏，王唯，邱兆美，王俊，李樹強，毛鵬軍

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南洛陽471003)

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，存在著不便于人類直接操作的環(huán)境，機械手以其特有的性能可代替人類完成相應(yīng)工作。隨著科技發(fā)展，機械手廣泛地應(yīng)用于熱處理、鍛造、裝配等自動化領(lǐng)域，尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等環(huán)境中，如果廣泛使用具有遠(yuǎn)程控制功能的機械手，可增加系統(tǒng)的安全性，降低損耗，提高生產(chǎn)效率。

目前，對機械手的研究已取得進(jìn)展，但其仍存在著動作單一，可視化效果差的問題，故在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，針對上述問題，利用機械手更好地提高生產(chǎn)自動化水平，減輕勞動強度，實現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重要意義。

文中究提出了基于MCGS組態(tài)軟件的機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，選用一種具有5個自由度，可水平、垂直移動、±90°自由旋轉(zhuǎn)的機械手，采用MCGS組態(tài)軟件對機械手的工作情況進(jìn)行實時監(jiān)測，通過動畫顯示機械手的動作過程，實現(xiàn)機械手工作過程的可視化。同時采用PLC作為該系統(tǒng)的控制器，通過相應(yīng)指令程序?qū)崿F(xiàn)機械手的控制要求，提高該機械手控制系統(tǒng)操作的自動化水平。

1 控制方案設(shè)計

1.1 機械手控制方案

該機械為一種可水平、垂直移動、±90°自由旋轉(zhuǎn)的圓柱坐標(biāo)型機械手，選用液壓驅(qū)動作為該機械手的驅(qū)動方式。機械手具有手爪張合、腕部回轉(zhuǎn)、臂部伸縮、臂部回轉(zhuǎn)、臂部升降5個自由度，上述5個自由度由4個大部件和5個液壓缸實現(xiàn)，分別為:爪部，采用1個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手爪的張合;腕部，采用1個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180°;臂部，采用直線缸來實現(xiàn)臂部伸縮;機身，采用1個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)臂部升降和回轉(zhuǎn)。機械手示意圖和液壓系統(tǒng)原理圖分別見圖1和圖2。

圖1 機械手示意圖

圖2 機械手液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，所設(shè)計的機械手有手動、單步操作、單周期操作、連續(xù)循環(huán)操作4種工作模式。在手動模式下，閉合開關(guān)，按下啟動按鈕，機械手運行，按下相應(yīng)的控制開關(guān)，機械手會進(jìn)行相應(yīng)的動作;在連續(xù)循環(huán)操作模式下，閉合開關(guān)，按下啟動按鈕，機械手運行，按照預(yù)定的操作順序 (臂部前伸YV6→手指閉合YV9→臂部縮回YV5→臂部上升YV4→腕部旋轉(zhuǎn)YV8→臂部旋轉(zhuǎn)YV2→臂部伸出YV6→手指張開YV10→臂部縮回YV5→腕部反轉(zhuǎn)YV7→臂部反轉(zhuǎn)YV1→臂部下降YV3→待料卸荷YV0)執(zhí)行相應(yīng)動作，并且循環(huán)執(zhí)行;在單步操作模式下，閉合開關(guān)，按下啟動按鈕，機械手運行，每按一次運行按鈕，機械手進(jìn)行一個步驟的操作;在單周期模式下，閉合開關(guān)，按下啟動按鈕，機械手運行，運行一個設(shè)定周期后機械手停止運行，停在初始位置。

1.2 PLC控制方案設(shè)計

機械手有手動、單步運行、單周期運行、連續(xù)循環(huán)運行4種操作模式。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定PLC的輸入/輸出信號，從而確定PLC的I/O點數(shù)為30個數(shù)字量輸入，27個數(shù)字量輸出。選用西門子S7-200系列的CPU 226，擴展模塊EM223(8I/8Q)和擴展模塊EM222(8Q)，既能實現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，又能滿足擴展需求。輸入端口和輸出端口分配表分別見表1和表2。

表1 輸入端口分配表

表2 輸出端口分配表

機械手控制系統(tǒng)的硬件選用西門子S7-200系列的CPU 226，擴展模塊 EM223(8I/8Q)和擴展模塊EM222(8Q)，其控制系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

2 機械手組態(tài)方案設(shè)計

采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件實現(xiàn)機械手工作過程的實時控制和圖像監(jiān)視。

2.1 機械手控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計

2.1.1 新建工程

進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境，新建工程“機械手控制系統(tǒng)”，見圖4。

圖4 新建工程圖

2.1.2 定義變量

根據(jù)機械手控制系統(tǒng)的控制要求，列出所需變量，定義變量，建立實時數(shù)據(jù)庫，見圖5。

圖5 實時數(shù)據(jù)庫

2.1.3 組態(tài)畫面設(shè)計

組態(tài)畫面設(shè)計分為畫面建立、畫面編輯、動畫連接3個步驟。通過上述步驟，繪制出機械手的動畫部分，包含2個液壓缸、機械臂、機械手、傳送帶和所需搬運的物體，以及支撐部分、按鈕、開關(guān)、機械手動作的指示燈等。為方便檢測運行情況，插入時間顯示框以顯示機械手循環(huán)的運行時間，插入旋轉(zhuǎn)儀表作為機械臂旋轉(zhuǎn)角度示意圖 (俯視)。經(jīng)過上述步驟，建立的“機械手控制系統(tǒng)”畫面，見圖6。

圖6 組態(tài)畫面

2.2 運行環(huán)境的仿真調(diào)試

機械手控制系統(tǒng)的控制功能在MCGS中可通過運行策略實現(xiàn)，編寫控制程序采用策略組態(tài)的形式。

在MCGS組態(tài)軟件中，進(jìn)入“運行環(huán)境”，見圖7，通過點擊畫面上的控制按鈕，觀察機械手控制系統(tǒng)的運行情況是否與控制要求一致。在運行調(diào)試的過程中，通過不斷地完善使得系統(tǒng)的運行情況與設(shè)計要求一致。

圖7 系統(tǒng)運行圖

通過調(diào)試的MCGS運行環(huán)境即可作為機械手的組態(tài)方案，該組態(tài)軟件通過相應(yīng)設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并進(jìn)行分析判斷，一方面以動畫的形式直觀地顯示機械手的現(xiàn)場工作情況，實現(xiàn)控制過程的可視化監(jiān)測，另一方面，按照控制要求和現(xiàn)場的工作條件將控制數(shù)據(jù)送至控制器，對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行實時控制，保證機械手控制系統(tǒng)正常工作。

3 MCGS組態(tài)和PLC程序的仿真運行

MCGS觸摸屏是組態(tài)軟件實現(xiàn)功能的載體，操作人員可通過觸摸屏對相應(yīng)工程進(jìn)行可視化操作和實時監(jiān)控。

在MCGS組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行工程下載并制作U盤綜合功能包，隨后與觸摸屏建立通訊，在觸摸屏上實現(xiàn)該機械手的實時控制。點擊觸摸屏上的“啟動”、“復(fù)位”按鈕，下載至觸摸屏的動畫組態(tài)可按設(shè)計要求運行。選用RS485通訊線將MCGS組態(tài)觸摸屏與PLC進(jìn)行實物連接，通過PLC發(fā)出啟動指令，下載至觸摸屏的動畫組態(tài)可按設(shè)計要求運行，各種動作功能均可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，同時可通過觸摸屏實現(xiàn)對PLC的實時監(jiān)控。

4 結(jié)論

運用 MCGS組態(tài)軟件和西門子 S7-200系列PLC，完成了機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)手動、單步操作、單周期運行、連續(xù)循環(huán)運行4種模式，利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行了機械手控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)了該機械手工作過程的實時控制和圖像監(jiān)控，為機械手的智能化控制提供了設(shè)計基礎(chǔ)。

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