基于MCGS組態軟件的機械手控制系統設計

張伏，王唯，邱兆美，王俊，李樹強，毛鵬軍

(河南科技大學農業工程學院，河南洛陽471003)

0 前言

在工業生產中，存在著不便于人類直接操作的環境，機械手以其特有的性能可代替人類完成相應工作。隨著科技發展，機械手廣泛地應用于熱處理、鍛造、裝配等自動化領域，尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等環境中，如果廣泛使用具有遠程控制功能的機械手，可增加系統的安全性，降低損耗，提高生產效率。

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

文中究提出了基于MCGS組態軟件的機械手控制系統的設計方案，選用一種具有5個自由度，可水平、垂直移動、±90°自由旋轉的機械手，采用MCGS組態軟件對機械手的工作情況進行實時監測，通過動畫顯示機械手的動作過程，實現機械手工作過程的可視化。同時采用PLC作為該系統的控制器，通過相應指令程序實現機械手的控制要求，提高該機械手控制系統操作的自動化水平。

1 控制方案設計

1.1 機械手控制方案

該機械為一種可水平、垂直移動、±90°自由旋轉的圓柱坐標型機械手，選用液壓驅動作為該機械手的驅動方式。機械手具有手爪張合、腕部回轉、臂部伸縮、臂部回轉、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，分別為:爪部，采用1個直線液壓缸，通過機構運動實現手爪的張合;腕部，采用1個回轉液壓缸實現手部回轉180°;臂部，采用直線缸來實現臂部伸縮;機身，采用1個直線缸和一個回轉缸來實現臂部升降和回轉。機械手示意圖和液壓系統原理圖分別見圖1和圖2。

圖1 機械手示意圖

圖2 機械手液壓系統原理圖

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

1.2 PLC控制方案設計

機械手有手動、單步運行、單周期運行、連續循環運行4種操作模式。根據系統的控制要求，確定PLC的輸入/輸出信號，從而確定PLC的I/O點數為30個數字量輸入，27個數字量輸出。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)，既能實現系統控制要求，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)，其控制系統原理圖見圖3。

圖3 控制系統原理圖

2 機械手組態方案設計

采用MCGS嵌入版組態軟件實現機械手工作過程的實時控制和圖像監視。

2.1 機械手控制系統的組態設計

2.1.1 新建工程

進入MCGS組態環境，新建工程“機械手控制系統”，見圖4。

圖4 新建工程圖

2.1.2 定義變量

根據機械手控制系統的控制要求，列出所需變量，定義變量，建立實時數據庫，見圖5。

圖5 實時數據庫

2.1.3 組態畫面設計

組態畫面設計分為畫面建立、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、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的運行時間，插入旋轉儀表作為機械臂旋轉角度示意圖 (俯視)。經過上述步驟，建立的“機械手控制系統”畫面，見圖6。

圖6 組態畫面

2.2 運行環境的仿真調試

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

在MCGS組態軟件中，進入“運行環境”，見圖7，通過點擊畫面上的控制按鈕，觀察機械手控制系統的運行情況是否與控制要求一致。在運行調試的過程中，通過不斷地完善使得系統的運行情況與設計要求一致。

圖7 系統運行圖

通過調試的MCGS運行環境即可作為機械手的組態方案，該組態軟件通過相應設備對現場數據進行實時采集，并進行分析判斷，一方面以動畫的形式直觀地顯示機械手的現場工作情況，實現控制過程的可視化監測，另一方面，按照控制要求和現場的工作條件將控制數據送至控制器，對執行機構進行實時控制，保證機械手控制系統正常工作。

3 MCGS組態和PLC程序的仿真運行

MCGS觸摸屏是組態軟件實現功能的載體，操作人員可通過觸摸屏對相應工程進行可視化操作和實時監控。

在MCGS組態環境中進行工程下載并制作U盤綜合功能包，隨后與觸摸屏建立通訊，在觸摸屏上實現該機械手的實時控制。點擊觸摸屏上的“啟動”、“復位”按鈕，下載至觸摸屏的動畫組態可按設計要求運行。選用RS485通訊線將MCGS組態觸摸屏與PLC進行實物連接，通過PLC發出啟動指令，下載至觸摸屏的動畫組態可按設計要求運行，各種動作功能均可達到預期目標，同時可通過觸摸屏實現對PLC的實時監控。

4 結論

運用 MCGS組態軟件和西門子 S7-200系列PLC，完成了機械手控制系統的設計。該控制系統可實現手動、單步操作、單周期運行、連續循環運行4種模式，利用MCGS組態軟件進行了機械手控制系統的組態設計，實現了該機械手工作過程的實時控制和圖像監控，為機械手的智能化控制提供了設計基礎。

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