基于MCGS組態(tài)軟件的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張伏，王唯，邱兆美，王俊，李樹強(qiáng)，毛鵬軍

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)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(jī)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(jī)械手廣泛地應(yīng)用于熱處理、鍛造、裝配等自動(dòng)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(jī)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(duì)機(jī)械手的研究已取得進(jìn)展，但其仍存在著動(dòng)作單一，可視化效果差的問(wèn)題，故在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)上述問(wèn)題，利用機(jī)械手更好地提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)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(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，選用一種具有5個(gè)自由度，可水平、垂直移動(dòng)、±90°自由旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手，采用MCGS組態(tài)軟件對(duì)機(jī)械手的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)動(dòng)畫顯示機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作過(guò)程的可視化。同時(shí)采用PLC作為該系統(tǒng)的控制器，通過(guò)相應(yīng)指令程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的控制要求，提高該機(jī)械手控制系統(tǒng)操作的自動(dòng)化水平。

1 控制方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手控制方案

該機(jī)械為一種可水平、垂直移動(dòng)、±90°自由旋轉(zhuǎn)的圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，選用液壓驅(qū)動(dòng)作為該機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)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(gè)自由度，上述5個(gè)自由度由4個(gè)大部件和5個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)，分別為:爪部，采用1個(gè)直線液壓缸，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合;腕部，采用1個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)180°;臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)臂部伸縮;機(jī)身，采用1個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)臂部升降和回轉(zhuǎn)。機(jī)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(jī)械手示意圖

圖2 機(jī)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(jì)的機(jī)械手有手動(dòng)、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(dòng)模式下，閉合開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手運(yùn)行，按下相應(yīng)的控制開關(guān)，機(jī)械手會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作;在連續(xù)循環(huán)操作模式下，閉合開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手運(yùn)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(dòng)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(dòng)按鈕，機(jī)械手運(yùn)行，每按一次運(yùn)行按鈕，機(jī)械手進(jìn)行一個(gè)步驟的操作;在單周期模式下，閉合開關(guān)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手運(yùn)行，運(yùn)行一個(gè)設(shè)定周期后機(jī)械手停止運(yùn)行，停在初始位置。

1.2 PLC控制方案設(shè)計(jì)

機(jī)械手有手動(dòng)、單步運(yùn)行、單周期運(yùn)行、連續(xù)循環(huán)運(yùn)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(hào)，從而確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為30個(gè)數(shù)字量輸入，27個(gè)數(shù)字量輸出。選用西門子S7-200系列的CPU 226，擴(kuò)展模塊EM223(8I/8Q)和擴(kuò)展模塊EM222(8Q)，既能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求，又能滿足擴(kuò)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(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件選用西門子S7-200系列的CPU 226，擴(kuò)展模塊 EM223(8I/8Q)和擴(kuò)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(jī)械手組態(tài)方案設(shè)計(jì)

采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和圖像監(jiān)視。

2.1 機(jī)械手控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

2.1.1 新建工程

進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境，新建工程“機(jī)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(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，見圖5。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1.3 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

組態(tài)畫面設(shè)計(jì)分為畫面建立、畫面編輯、動(dòng)畫連接3個(gè)步驟。通過(guò)上述步驟，繪制出機(jī)械手的動(dòng)畫部分，包含2個(gè)液壓缸、機(jī)械臂、機(jī)械手、傳送帶和所需搬運(yùn)的物體，以及支撐部分、按鈕、開關(guān)、機(jī)械手動(dòng)作的指示燈等。為方便檢測(cè)運(yùn)行情況，插入時(shí)間顯示框以顯示機(jī)械手循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間，插入旋轉(zhuǎn)儀表作為機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)角度示意圖 (俯視)。經(jīng)過(guò)上述步驟，建立的“機(jī)械手控制系統(tǒng)”畫面，見圖6。

圖6 組態(tài)畫面

2.2 運(yùn)行環(huán)境的仿真調(diào)試

機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制功能在MCGS中可通過(guò)運(yùn)行策略實(shí)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(yùn)行環(huán)境”，見圖7，通過(guò)點(diǎn)擊畫面上的控制按鈕，觀察機(jī)械手控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況是否與控制要求一致。在運(yùn)行調(diào)試的過(guò)程中，通過(guò)不斷地完善使得系統(tǒng)的運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)要求一致。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行圖

通過(guò)調(diào)試的MCGS運(yùn)行環(huán)境即可作為機(jī)械手的組態(tài)方案，該組態(tài)軟件通過(guò)相應(yīng)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行分析判斷，一方面以動(dòng)畫的形式直觀地顯示機(jī)械手的現(xiàn)場(chǎng)工作情況，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的可視化監(jiān)測(cè)，另一方面，按照控制要求和現(xiàn)場(chǎng)的工作條件將控制數(shù)據(jù)送至控制器，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證機(jī)械手控制系統(tǒng)正常工作。

3 MCGS組態(tài)和PLC程序的仿真運(yùn)行

MCGS觸摸屏是組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)功能的載體，操作人員可通過(guò)觸摸屏對(duì)相應(yīng)工程進(jìn)行可視化操作和實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的實(shí)時(shí)控制。點(diǎn)擊觸摸屏上的“啟動(dòng)”、“復(fù)位”按鈕，下載至觸摸屏的動(dòng)畫組態(tài)可按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。選用RS485通訊線將MCGS組態(tài)觸摸屏與PLC進(jìn)行實(shí)物連接，通過(guò)PLC發(fā)出啟動(dòng)指令，下載至觸摸屏的動(dòng)畫組態(tài)可按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，各種動(dòng)作功能均可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)論

運(yùn)用 MCGS組態(tài)軟件和西門子 S7-200系列PLC，完成了機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、單步操作、單周期運(yùn)行、連續(xù)循環(huán)運(yùn)行4種模式，利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行了機(jī)械手控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)械手工作過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和圖像監(jiān)控，為機(jī)械手的智能化控制提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

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