1 引言

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

　　鑒于PLC順序控制的自身特點，應用PLc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的動作工序，可以簡化控制線路，提高可靠性，在保證勞動生產(chǎn)率的條件下節(jié)約成本。同時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以采用組態(tài)王Kingview組態(tài)軟件設計，能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示數(shù)據(jù)、動畫顯示、流程控制等功能。

2 機械手的設計

　　本文設計的機械手具有三個自由度，分別由機械手腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)三個部分進行控制和聯(lián)動，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。機械手的全部動作由各個關節(jié)的伺服電機進行驅(qū)動控制。機械手臂的擺動動作就是通過控制步進電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。機械手的放松／夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。當該線圈通電時，機械手放松；該線圈斷電時，機械手手爪夾緊。

　　該機械手的工作過程如下：打開電源，按下起動按鈕時，開機復位。開始檢測機械手在不在原點，若不在原點

　　則PLC向驅(qū)動器同時輸入脈沖信號和電平信號，使電機反轉(zhuǎn)，進而使機械手處于原點位置。當手臂擺動到位時，碰到限位開關，擺動停止，電磁閥斷電，機械手夾緊。夾緊之后，主機向驅(qū)動器只輸人脈沖信號，使電機正轉(zhuǎn)，機械手上升。碰到上限位開關后，上升停止。然后各機械臂電機反向擺動，碰到限位開關后擺動停止，同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松。

　　腰關節(jié)可以帶動機身在水平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，使機械手的工作范圍擴大。由于齒輪系傳動具有傳動形式簡單、傳動精度高、傳動效率較高的特點，所以在其內(nèi)部采用二級齒輪減速傳動。

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

　　肘關節(jié)的傳動采用擺動螺旋結(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。這三個關節(jié)都是由直流力矩電機驅(qū)動。

3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)機械手控制系統(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)合的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括兩層，即PLC現(xiàn)場控制層和上位機監(jiān)控層，如圖2所示。

　　現(xiàn)場對機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)的核心進行數(shù)據(jù)采集和控制輸出設備。上位機監(jiān)控層采用組態(tài)王軟件Kingview提供逼真形象的人機界面，便于操作人員進行操作。下位機PLc和上位機組態(tài)王Kingview之間的通訊通過服務器和PPI電纜實現(xiàn)。該技術(shù)可以達到本系統(tǒng)要求，實現(xiàn)過程控制的鏈接和嵌入。

　　PLC可以利用服務包向上位機提供數(shù)據(jù)服務，不但可以將機械手的各個運行參數(shù)實時地采集到組態(tài)王對應的變量中，由組態(tài)王統(tǒng)一管理后給出系統(tǒng)各部分的運行趨勢、數(shù)據(jù)報表以及報警時間，還可以根據(jù)上位機的指令和一定的程序設置驅(qū)動電機．從而使機械手執(zhí)行相關的動作。

4 系統(tǒng)的軟件

　　4.1 PLC的I/O接口設計

　　機械手的控制可以分為手動控制和自動控制這兩種方式。手動控制分為手動和回到原點兩種操作，自動操作分為單步和連續(xù)操作。根據(jù)機械手動作的要求，對輸入點和輸出點進行分配。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，占用8個輸入點；SBl、SB2、SB3、SB4、SB15分別為啟動按鈕、停止按鈕、手動操作按鈕、連續(xù)操作按鈕、回原點按鈕，占用5個輸入點；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個輸入點；SBl6為光電工件檢測開關．占1個輸人點。

　　手動操作主要用于維修，可以用按鈕對機械手的每一個動作進行單獨控制。

　　按下回原點按鈕SBl5時，機械手自動回到原點。

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

　　本機械手控制系統(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、工件位置檢測。

　　4.2上住機組態(tài)設計

　　本系統(tǒng)的上位機采用組態(tài)王Kingview進行設計，kingview6.53是一款全中文的工業(yè)控制用組態(tài)軟件，可以運行于windows平臺。組態(tài)王Kingview6.53具有開放性好、適應性強、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等很多優(yōu)點，尤其是它在自動控制系統(tǒng)中能夠發(fā)揮組態(tài)開發(fā)、上傳下達的重要作用。組態(tài)王軟件包由工程管理器、工程瀏覽器、畫面運行系統(tǒng)、信息窗口這四個部分組成。其中工程瀏覽器和畫面運行系統(tǒng)是兩個相互獨立的windows應用程序，都可以單獨使用。

　　通訊設備的參數(shù)設置：在組態(tài)王工程瀏覽器工程目錄顯示區(qū)．通過“設備”大綱項目下的PLC與上位機所連串口(COM)．對其進行參數(shù)設置。PLC的通信參數(shù)應該與組態(tài)王的設置一致，同時，組態(tài)王系統(tǒng)的COM1口設置要和PLC的一致。PLC采用默認的通信參數(shù)如下：數(shù)據(jù)位長度為7位，波特率為9600bps，奇偶校驗位為偶校驗，停止位長度為1位。

　　設備之間的連接：可以通過PLC與計算機的連接專用通信電纜。將PLC通過編程口與上位計算機的串口(C0M)連接．進行串口通訊。完成通訊參數(shù)的設置后，就可以設置組態(tài)王和PLC之間的連接。

　　建立數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系下位機和上位機的橋梁。選擇工程瀏覽器的左側(cè)大綱項“數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)詞典”．在“變量屬性”對話框里面可以創(chuàng)建機械手控制系統(tǒng)的各個數(shù)據(jù)變量。根據(jù)機械手的控制要求和組態(tài)王畫面中的控制要素，可設計組態(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，可以在動畫連接時補充使用。

　　這些變量與PLC內(nèi)部的變量是一一對應的，PLC的輸出輸入完全由組態(tài)王內(nèi)部的變量代替。這樣，PLC的實際輸入輸出狀態(tài)就會全部反映在組態(tài)王監(jiān)控界面上了。設計圖形界面并建立動畫連接：組態(tài)畫面如圖4所示。

　　圖4畫面中的動畫連接均采用隱含連接方式．也就是當畫面中的各個圖素隱含連接表達式為真時才將其顯示出來，當表達式不成立時則會隱含。

5 結(jié)語

　　本文設計了機械手的基本結(jié)構(gòu)，采用PLC設計了機械手的自動控制裝置，上位機由組態(tài)王Kingview6．53提供人機界面，上位機和下位機之間通過PPI協(xié)議實現(xiàn)通信。經(jīng)過實驗證明，該系統(tǒng)具有操作簡單、可靠性高、經(jīng)濟實用等特點。