1 引言

　　機(jī)械手能夠模仿人手部的部分動(dòng)作，按照設(shè)定的程序、軌跡和要求，代替人手對(duì)工件進(jìn)行搬運(yùn)等操作。這不僅可以使人手避免可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，保障生產(chǎn)安全，還能促進(jìn)工作線的流水化，提高工作效率。

　　鑒于PLC順序控制的自身特點(diǎn)，應(yīng)用PLc控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的動(dòng)作工序，可以簡(jiǎn)化控制線路，提高可靠性，在保證勞動(dòng)生產(chǎn)率的條件下節(jié)約成本。同時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以采用組態(tài)王Kingview組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、動(dòng)畫顯示、流程控制等功能。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，分別由機(jī)械手腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)三個(gè)部分進(jìn)行控制和聯(lián)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。機(jī)械手的全部動(dòng)作由各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械手臂的擺動(dòng)動(dòng)作就是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械手的放松／夾緊由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手放松；該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手手爪夾緊。

　　該機(jī)械手的工作過(guò)程如下：打開電源，按下起動(dòng)按鈕時(shí)，開機(jī)復(fù)位。開始檢測(cè)機(jī)械手在不在原點(diǎn)，若不在原點(diǎn)

　　則PLC向驅(qū)動(dòng)器同時(shí)輸入脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而使機(jī)械手處于原點(diǎn)位置。當(dāng)手臂擺動(dòng)到位時(shí)，碰到限位開關(guān)，擺動(dòng)停止，電磁閥斷電，機(jī)械手夾緊。夾緊之后，主機(jī)向驅(qū)動(dòng)器只輸人脈沖信號(hào)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)，機(jī)械手上升。碰到上限位開關(guān)后，上升停止。然后各機(jī)械臂電機(jī)反向擺動(dòng)，碰到限位開關(guān)后擺動(dòng)停止，同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。

　　腰關(guān)節(jié)可以帶動(dòng)機(jī)身在水平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手的工作范圍擴(kuò)大。由于齒輪系傳動(dòng)具有傳動(dòng)形式簡(jiǎn)單、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率較高的特點(diǎn)，所以在其內(nèi)部采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。

　　肩關(guān)節(jié)為一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)方式為蝸輪蝸桿副傳動(dòng)。

　　肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)采用擺動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也具有穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。這三個(gè)關(guān)節(jié)都是由直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的工藝要求和技術(shù)要求，采用基于PLC和組態(tài)軟件相結(jié)合的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括兩層，即PLC現(xiàn)場(chǎng)控制層和上位機(jī)監(jiān)控層，如圖2所示。

　　現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)械手的控制采用西門子公司S7—200系列的PLC作為控制系統(tǒng)的核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制輸出設(shè)備。上位機(jī)監(jiān)控層采用組態(tài)王軟件Kingview提供逼真形象的人機(jī)界面，便于操作人員進(jìn)行操作。下位機(jī)PLc和上位機(jī)組態(tài)王Kingview之間的通訊通過(guò)服務(wù)器和PPI電纜實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)可以達(dá)到本系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的鏈接和嵌入。

　　PLC可以利用服務(wù)包向上位機(jī)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，不但可以將機(jī)械手的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地采集到組態(tài)王對(duì)應(yīng)的變量中，由組態(tài)王統(tǒng)一管理后給出系統(tǒng)各部分的運(yùn)行趨勢(shì)、數(shù)據(jù)報(bào)表以及報(bào)警時(shí)間，還可以根據(jù)上位機(jī)的指令和一定的程序設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)．從而使機(jī)械手執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。

4 系統(tǒng)的軟件

　　4.1 PLC的I/O接口設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手的控制可以分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制這兩種方式。手動(dòng)控制分為手動(dòng)和回到原點(diǎn)兩種操作，自動(dòng)操作分為單步和連續(xù)操作。根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的要求，對(duì)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)進(jìn)行分配。輸入端子分配情況如表1所示，輸出端子分配情況表如表2所示。

　　其中，SQl～SQ8分別為手部、小臂、大臂以及腰部的限位開關(guān)，占用8個(gè)輸入點(diǎn)；SBl、SB2、SB3、SB4、SB15分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、手動(dòng)操作按鈕、連續(xù)操作按鈕、回原點(diǎn)按鈕，占用5個(gè)輸入點(diǎn)；SB5～SBl4分別為手爪的抓緊和放松、手部的單步上升和下降、小臂的單步上升和下降、大臂的單步上升和下降、腰部的單步左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，占用10個(gè)輸入點(diǎn)；SBl6為光電工件檢測(cè)開關(guān)．占1個(gè)輸人點(diǎn)。

　　手動(dòng)操作主要用于維修，可以用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制。

　　按下回原點(diǎn)按鈕SBl5時(shí)，機(jī)械手自動(dòng)回到原點(diǎn)。

　　其中，Yv1-Yv8分別為手部電機(jī)的上轉(zhuǎn)和下轉(zhuǎn)、小臂電機(jī)的上轉(zhuǎn)和下轉(zhuǎn)、大臂電機(jī)的上轉(zhuǎn)和下轉(zhuǎn)、腰部電機(jī)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)：Yv9為手爪夾緊；EL為原點(diǎn)指示燈。在選擇PLC的型式時(shí)，輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的多少應(yīng)考慮工藝過(guò)程和控制要求變動(dòng)對(duì)輸入點(diǎn)的需要．應(yīng)該考慮15％的余量。本機(jī)械手控制設(shè)備選擇的cPu為sIMATIcS7—200 cPu226．該CPU集成有24個(gè)輸入和16個(gè)輸出點(diǎn),可以滿足本設(shè)備的要求。

　　本機(jī)械手控制系統(tǒng)采用西門子S7—200CN數(shù)字量輸入模塊EM22l，8點(diǎn)輸人，分別為小臂單步上升、小臂單步下降、大臂單步上升、大臂單步下降、腰部單步左轉(zhuǎn)、腰部單步右轉(zhuǎn)、回原點(diǎn)、工件位置檢測(cè)。

　　4.2上住機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的上位機(jī)采用組態(tài)王Kingview進(jìn)行設(shè)計(jì)，kingview6.53是一款全中文的工業(yè)控制用組態(tài)軟件，可以運(yùn)行于windows平臺(tái)。組態(tài)王Kingview6.53具有開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中能夠發(fā)揮組態(tài)開發(fā)、上傳下達(dá)的重要作用。組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運(yùn)行系統(tǒng)、信息窗口這四個(gè)部分組成。其中工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)是兩個(gè)相互獨(dú)立的windows應(yīng)用程序，都可以單獨(dú)使用。

　　通訊設(shè)備的參數(shù)設(shè)置：在組態(tài)王工程瀏覽器工程目錄顯示區(qū)．通過(guò)“設(shè)備”大綱項(xiàng)目下的PLC與上位機(jī)所連串口(COM)．對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。PLC的通信參數(shù)應(yīng)該與組態(tài)王的設(shè)置一致，同時(shí)，組態(tài)王系統(tǒng)的COM1口設(shè)置要和PLC的一致。PLC采用默認(rèn)的通信參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為7位，波特率為9600bps，奇偶校驗(yàn)位為偶校驗(yàn)，停止位長(zhǎng)度為1位。

　　設(shè)備之間的連接：可以通過(guò)PLC與計(jì)算機(jī)的連接專用通信電纜。將PLC通過(guò)編程口與上位計(jì)算機(jī)的串口(C0M)連接．進(jìn)行串口通訊。完成通訊參數(shù)的設(shè)置后，就可以設(shè)置組態(tài)王和PLC之間的連接。

　　建立數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系下位機(jī)和上位機(jī)的橋梁。選擇工程瀏覽器的左側(cè)大綱項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)詞典”．在“變量屬性”對(duì)話框里面可以創(chuàng)建機(jī)械手控制系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)變量。根據(jù)機(jī)械手的控制要求和組態(tài)王畫面中的控制要素，可設(shè)計(jì)組態(tài)王工程的變量。部分變量如圖3所示。其中X、X1、Y、YI為備用變量，可以在動(dòng)畫連接時(shí)補(bǔ)充使用。

　　這些變量與PLC內(nèi)部的變量是一一對(duì)應(yīng)的，PLC的輸出輸入完全由組態(tài)王內(nèi)部的變量代替。這樣，PLC的實(shí)際輸入輸出狀態(tài)就會(huì)全部反映在組態(tài)王監(jiān)控界面上了。設(shè)計(jì)圖形界面并建立動(dòng)畫連接：組態(tài)畫面如圖4所示。

　　圖4畫面中的動(dòng)畫連接均采用隱含連接方式．也就是當(dāng)畫面中的各個(gè)圖素隱含連接表達(dá)式為真時(shí)才將其顯示出來(lái)，當(dāng)表達(dá)式不成立時(shí)則會(huì)隱含。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)，采用PLC設(shè)計(jì)了機(jī)械手的自動(dòng)控制裝置，上位機(jī)由組態(tài)王Kingview6．53提供人機(jī)界面，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。 

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于PLC和組態(tài)王的機(jī)械手及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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