基于MCGS组态软件的机械手控制系统设计

张伏，王唯，邱兆美，王俊，李树强，毛鹏军

(河南科技大学农业工程学院，河南洛阳471003)

0 前言

在工业生产中，存在着不便于人类直接操作的环境，机械手以其特有的性能可代替人类完成相应工作。随着科技发展，机械手广泛地应用于热处理、锻造、装配等自动化领域，尤其是在高温、有毒、易燃易爆等环境中，如果广泛使用具有远程控制功能的机械手，可增加系统的安全性，降低损耗，提高生产效率。

目前，对机械手的研究已取得进展，但其仍存在着动作单一，可视化效果差的问题，故在现有的研究基础上，针对上述问题，利用机械手更好地提高生产自动化水平，减轻劳动强度，实现安全生产具有重要意义。

文中究提出了基于MCGS组态软件的机械手控制系统的设计方案，选用一种具有5个自由度，可水平、垂直移动、±90°自由旋转的机械手，采用MCGS组态软件对机械手的工作情况进行实时监测，通过动画显示机械手的动作过程，实现机械手工作过程的可视化。同时采用PLC作为该系统的控制器，通过相应指令程序实现机械手的控制要求，提高该机械手控制系统操作的自动化水平。

1 控制方案设计

1.1 机械手控制方案

该机械为一种可水平、垂直移动、±90°自由旋转的圆柱坐标型机械手，选用液压驱动作为该机械手的驱动方式。机械手具有手爪张合、腕部回转、臂部伸缩、臂部回转、臂部升降5个自由度，上述5个自由度由4个大部件和5个液压缸实现，分别为:爪部，采用1个直线液压缸，通过机构运动实现手爪的张合;腕部，采用1个回转液压缸实现手部回转180°;臂部，采用直线缸来实现臂部伸缩;机身，采用1个直线缸和一个回转缸来实现臂部升降和回转。机械手示意图和液压系统原理图分别见图1和图2。

图1 机械手示意图

图2 机械手液压系统原理图

根据系统的控制要求，所设计的机械手有手动、单步操作、单周期操作、连续循环操作4种工作模式。在手动模式下，闭合开关，按下启动按钮，机械手运行，按下相应的控制开关，机械手会进行相应的动作;在连续循环操作模式下，闭合开关，按下启动按钮，机械手运行，按照预定的操作顺序 (臂部前伸YV6→手指闭合YV9→臂部缩回YV5→臂部上升YV4→腕部旋转YV8→臂部旋转YV2→臂部伸出YV6→手指张开YV10→臂部缩回YV5→腕部反转YV7→臂部反转YV1→臂部下降YV3→待料卸荷YV0)执行相应动作，并且循环执行;在单步操作模式下，闭合开关，按下启动按钮，机械手运行，每按一次运行按钮，机械手进行一个步骤的操作;在单周期模式下，闭合开关，按下启动按钮，机械手运行，运行一个设定周期后机械手停止运行，停在初始位置。

1.2 PLC控制方案设计

机械手有手动、单步运行、单周期运行、连续循环运行4种操作模式。根据系统的控制要求，确定PLC的输入/输出信号，从而确定PLC的I/O点数为30个数字量输入，27个数字量输出。选用西门子S7-200系列的CPU 226，扩展模块EM223(8I/8Q)和扩展模块EM222(8Q)，既能实现系统控制要求，又能满足扩展需求。输入端口和输出端口分配表分别见表1和表2。

表1 输入端口分配表

表2 输出端口分配表

机械手控制系统的硬件选用西门子S7-200系列的CPU 226，扩展模块 EM223(8I/8Q)和扩展模块EM222(8Q)，其控制系统原理图见图3。

图3 控制系统原理图

2 机械手组态方案设计

采用MCGS嵌入版组态软件实现机械手工作过程的实时控制和图像监视。

2.1 机械手控制系统的组态设计

2.1.1 新建工程

进入MCGS组态环境，新建工程“机械手控制系统”，见图4。

图4 新建工程图

2.1.2 定义变量

根据机械手控制系统的控制要求，列出所需变量，定义变量，建立实时数据库，见图5。

图5 实时数据库

2.1.3 组态画面设计

组态画面设计分为画面建立、画面编辑、动画连接3个步骤。通过上述步骤，绘制出机械手的动画部分，包含2个液压缸、机械臂、机械手、传送带和所需搬运的物体，以及支撑部分、按钮、开关、机械手动作的指示灯等。为方便检测运行情况，插入时间显示框以显示机械手循环的运行时间，插入旋转仪表作为机械臂旋转角度示意图 (俯视)。经过上述步骤，建立的“机械手控制系统”画面，见图6。

图6 组态画面

2.2 运行环境的仿真调试

机械手控制系统的控制功能在MCGS中可通过运行策略实现，编写控制程序采用策略组态的形式。

在MCGS组态软件中，进入“运行环境”，见图7，通过点击画面上的控制按钮，观察机械手控制系统的运行情况是否与控制要求一致。在运行调试的过程中，通过不断地完善使得系统的运行情况与设计要求一致。

图7 系统运行图

通过调试的MCGS运行环境即可作为机械手的组态方案，该组态软件通过相应设备对现场数据进行实时采集，并进行分析判断，一方面以动画的形式直观地显示机械手的现场工作情况，实现控制过程的可视化监测，另一方面，按照控制要求和现场的工作条件将控制数据送至控制器，对执行机构进行实时控制，保证机械手控制系统正常工作。

3 MCGS组态和PLC程序的仿真运行

MCGS触摸屏是组态软件实现功能的载体，操作人员可通过触摸屏对相应工程进行可视化操作和实时监控。

在MCGS组态环境中进行工程下载并制作U盘综合功能包，随后与触摸屏建立通讯，在触摸屏上实现该机械手的实时控制。点击触摸屏上的“启动”、“复位”按钮，下载至触摸屏的动画组态可按设计要求运行。选用RS485通讯线将MCGS组态触摸屏与PLC进行实物连接，通过PLC发出启动指令，下载至触摸屏的动画组态可按设计要求运行，各种动作功能均可达到预期目标，同时可通过触摸屏实现对PLC的实时监控。

4 结论

运用 MCGS组态软件和西门子 S7-200系列PLC，完成了机械手控制系统的设计。该控制系统可实现手动、单步操作、单周期运行、连续循环运行4种模式，利用MCGS组态软件进行了机械手控制系统的组态设计，实现了该机械手工作过程的实时控制和图像监控，为机械手的智能化控制提供了设计基础。

［1］王月芹.基于PLC的机械手控制系统设计［J］.液压与气动，2011(9):41-43.

［2］王红玲，胡万强.基于PLC的工业机械手控制［J］.液压与气动，2011(8):8-11.

［3］范金玲.基于PLC的气动机械手控制系统设计［J］.液压与气动，2011(7):36-38.

［4］吴青萍.基于MCGS软件的机械手控制系统研制［J］.液压与气动，2010(10):61-63.

［5］丛明，刘冬，杜宇，等.PLC伺服控制在太阳能电池组件搬运机械手中的应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2011(9):66-69.

［6］曾文萱，范圣耀，王学良.磨齿机自动上下料机械手控制系统研究与开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2012(11):71-74.

［7］史国生，崔洪斌，梁雪春.PLC在机械手步进控制中的应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2001(8):25-27.

［8］干方建，刘正士.基于六维腕力传感器的机械手动态响应研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2001(10):11-14.

［9］舒志兵，李银露，潘兰亭，等.磁瓦机械手控制系统的设计与实现［J］.组合机床与自动化加工技术，2013(5): 67-69.

［10］张祺，侯力，刘松，等.加工中心换刀机械手控制系统研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(8):42-44.

［11］袁安富，蒋浩.基于PLC的工业机械手控制设计与组态监控［J］.制造业自动化，2011(9):86-89.

［12］张波，李卫民，尚锐.多功能上下料用机械手液压系统［J］.液压与气动，2002(8):31-32.

［13］罗庚兴，宁玉珊.气动安装机械手的PLC控制［J］.制造业自动化，201l(9):86-89.