機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置，可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工等工業。氣動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。氣動動作迅速，結構簡單，成本低。氣動系統也能實現過載保護，便于自動控制。氣源來自于壓縮空氣，可以存儲于儲氣罐中，因此，發生突然斷電的情況時，機器及工藝流程不致突然中斷。PLC具有較強的穩定性，被廣泛應用于工業控制中，采用PLC實現氣動機械手控制是一種可靠、穩定、方便的控制方案。針對目前存在的機械手控制中對機械手運行狀態難于監控的問題，采用組態軟件對機械手的運行位置進行監控，同時也可實現機械手的遠程控制。
2機械手動作流程
在工廠中，機械手要做順序系列的動作�，F在以一串動作為例，比如工件在某一高度的A位置，現在操作要求要把A位置的工件取到B位置要執行的動作如圖1所示。
機械手動作順序：原位→右行→上升→夾緊→下降→左行→上升→放松。
圖1 機械手動作示意圖
機械手的控制方式分為：手動和自動。在手動運行方式下機械手分為單步動作；在自動運行方式下，機械手的動作分為單周期和循環。
手動單步運行時，用各自的按鈕控制各個負載單獨接通或斷開的方式。按下按鈕則機械手開始一個動作，松開按鈕則機械手停止動作。
單周期工作方式時，按下啟動開關，機械手從原點開始右行，右行到右限位開關時，機械手開始上升，上升到上限位開關時，機械手開始夾緊，夾緊到夾緊限位時，機械手開始下降，下降到下限位開關時，機械手開始左行，左行到左限位開關時，機械手開始放松，放松到放松限位開關時，回到原點。
循環工作方式時，在原點位置按啟動按鈕，開始連續的反復運行。若途中按停止按鈕，動作將繼續執行當機械手運行到到原點才機械手停在原位。
3控制系統的硬件設計
�。�1）PLC選擇
可編程控制器（PLC）由于其具有高的可靠性，編程方便，便于使用和修改，易于擴展和維護，環境要求低，體積小，安裝測試方便等性能在工業控制中有著廣泛的應用。
本系統的輸入量為8，輸出量為3個，加上一定量的冗余，選擇西門子公司所生產的CPU224來控制機械手的運行。它以緊湊的結構、良好的延展性、強大的指令功能、低廉的價格，是小型控制工程的理想控制器。S7-200 PLC包含了一個單獨的S7-200 CPU和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規模的控制器。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN可以方便地在Windows環境下對PLC編程、調試、監控，使得PLC的編程更加方便、快捷。在我們的設計中選用的是CPU224，CPU224集成了14點輸入／10點輸出，共有24個數字量I/O，符合系統的控制要求。
�。�2）執行元件選擇
實現機械手動過的汽缸由電磁閥來實現，閥門的位置決定汽缸的運動方向。電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器件，電磁閥用于控制液壓、氣體等流動方向，電磁閥的工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。本系統采用的是兩位三通的電磁閥。
系統硬件接線圖如圖2所示。
圖2 系統硬件接線圖
4系統的I/O分配
5PLC系統程序
系統程序分為手動和自動程序，自動程序分為單周期、循環。軟件采用主程序、子程序結構。機械手控制系統主程序由手動控制子程序、自動控制單周期子程序、自動控制連續控制子程序組成。
手動/自動程序切換由上位機軟元件控制，用PLC輔助繼電器實現。手動程序中的單步動作由單步按鈕實現，系統采用PLC輔助繼電器實現。
單周期和連續控制開關都由PLC輔助繼電器完成，輔助繼電器與上位機中的組態軟件的軟元件通信實現。
手動操作子程序中通過操作方式開關撥到手動方式，進入手動操作控制子程序，通過6個按鈕，即右行、上升、夾緊、下降、左行、上升、放松，來完成對機械手的手動操作控制。
6監控畫面設計
組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O產品，與工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟件硬件的全部接口，進行系統集成。
在進行分析工程項目的系統構成、技術要求和工藝流程時，弄清系統的控制流程和監控對象的特征，明確監控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數據庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些設備是軟件內部用來傳遞數據及動畫顯示的。組態軟件變量定義如表2所示。
手動單步運行時，用各自的按鈕控制各個負載單獨接通或斷開的方式。按下按鈕則機械手開始一個動作，松開按鈕則機械手停止動作。
單周期工作方式時，按下啟動開關，機械手從原點開始右行，右行到右限位開關時，機械手開始上升，上升到上限位開關時，機械手開始夾緊，夾緊到夾緊限位時，機械手開始下降，下降到下限位開關時，機械手開始左行，左行到左限位開關時，機械手開始放松，放松到放松限位開關時，回到原點。
循環工作方式時，在原點位置按啟動按鈕，開始連續的反復運行。若途中按停止按鈕，動作將繼續執行當機械手運行到到原點才機械手停在原位。
3控制系統的硬件設計
�。�1）PLC選擇
可編程控制器（PLC）由于其具有高的可靠性，編程方便，便于使用和修改，易于擴展和維護，環境要求低，體積小，安裝測試方便等性能在工業控制中有著廣泛的應用。
本系統的輸入量為8，輸出量為3個，加上一定量的冗余，選擇西門子公司所生產的CPU224來控制機械手的運行。它以緊湊的結構、良好的延展性、強大的指令功能、低廉的價格，是小型控制工程的理想控制器。S7-200 PLC包含了一個單獨的S7-200 CPU和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規模的控制器。S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN可以方便地在Windows環境下對PLC編程、調試、監控，使得PLC的編程更加方便、快捷。在我們的設計中選用的是CPU224，CPU224集成了14點輸入／10點輸出，共有24個數字量I/O，符合系統的控制要求。
�。�2）執行元件選擇
實現機械手動過的汽缸由電磁閥來實現，閥門的位置決定汽缸的運動方向。電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執行器件，電磁閥用于控制液壓、氣體等流動方向，電磁閥的工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。本系統采用的是兩位三通的電磁閥。
系統硬件接線圖如圖2所示。
圖2 系統硬件接線圖
4系統的I/O分配
系統的輸入量為啟動、停止、及PLC個限位開關，輸出要控制電磁閥實現機械手的動作，為此機械手的I/O分配如表1所示。
表1I/O分配
|
輸入信號
|
輸出信號
|
||||
|
電路器件
|
編程地址
|
說明
|
電路器件
|
編程地址
|
說明
|
|
SB1
|
I0.0
|
啟動按鈕
|
KA1
|
Q0.0
|
左/右繼電器
|
|
SB2
|
I0.1
|
停止按鈕
|
KA2
|
Q0.1
|
上/下繼電器
|
|
SQ1
|
I0.2
|
右行限位
|
KA3
|
Q0.2
|
夾/放繼電器
|
5PLC系統程序
系統程序分為手動和自動程序，自動程序分為單周期、循環。軟件采用主程序、子程序結構。機械手控制系統主程序由手動控制子程序、自動控制單周期子程序、自動控制連續控制子程序組成。
手動/自動程序切換由上位機軟元件控制，用PLC輔助繼電器實現。手動程序中的單步動作由單步按鈕實現，系統采用PLC輔助繼電器實現。
單周期和連續控制開關都由PLC輔助繼電器完成，輔助繼電器與上位機中的組態軟件的軟元件通信實現。
手動操作子程序中通過操作方式開關撥到手動方式，進入手動操作控制子程序，通過6個按鈕，即右行、上升、夾緊、下降、左行、上升、放松，來完成對機械手的手動操作控制。
6監控畫面設計
組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，能以靈活多樣的組態方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發界面，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O產品，與工控計算機和網絡系統結合，可向控制層和管理層提供軟件硬件的全部接口，進行系統集成。
在進行分析工程項目的系統構成、技術要求和工藝流程時，弄清系統的控制流程和監控對象的特征，明確監控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數據庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些設備是軟件內部用來傳遞數據及動畫顯示的。組態軟件變量定義如表2所示。
表2 組態軟件變量表
動畫制作分為靜態圖形設計和動態屬性設置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內“組合”成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數據庫中定義的變量建立相關性的鏈接關系，作為動畫圖形的驅動源。系統監控畫面如圖3所示。
圖3機械手監控畫面設計
圖3機械手監控畫面設計
在運行策略窗口內，從策略箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊（稱為策略塊）,由這些模塊實現各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件，稱之為（腳本程序）功能構件，使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。本系統的腳本程序如下：
IF Q0=1 THEN
左右移動=1
ENDIF
IF IO2=1 AND Q1=1 THEN
升降=1
ENDIF
IF IO3=1 AND Q2=1 THEN
加緊放松=1
ENDIF
IF IO4=1 AND Q1=0 THEN
升降=0
ENDIF
IF IO4=1 AND Q1=0 THEN
工件垂直=1
ENDIF
IF Q0=0 THEN
左右移動=0
ENDIF
IF Q0=0 THEN
工件水平移動=1
ENDIF
IF Q2=0 THEN
加緊放松=0
ENDIF
IF Q2=0 THEN
工件垂直=0
ENDIF
IF Q2=0 THEN
工件水平移動=0
ENDIF
7結束語
7結束語
采用MCGS組態軟件設計的氣動PLC控制系統，由PLC進行邏輯控制，由氣缸進行驅動，通過PLC控制，經過右行，上行，抓取，下行，左行，放松等動作順序實現自動的工件抓放。由工頻電網供電，根據PLC程序進行手自動切換，用MCGS組態軟件進行監控，對比機械手的動作與監控畫面的動作是否一致，可以是生產系統減少很多勞動力。進一步提高了生產效率。
作者簡介
徐玲（1976-）女 碩士，就職于無錫商業職業技術學院電子工程學院，研究方向為電氣控制、控制理論與控制工程。
參考文獻
[1]郭艷萍.電氣控制與PLC技術[M].北京：北京師范大學出版社，2007（2）.
[2]戴明宏，張君霞.電氣控制與PLC應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007（7）.
[3]張春.西門子STEP7編程語言與使用技巧[M].北京：機械工業出版社，2009（6）.
[4]汪小澄.可編程序控制器運動控制技術[M].北京：機械工業出版社，2006（1）.
[5]廖常初. PLC應用技術問答[M].北京：機械工業出版社，2006（1）.
[6]張文明，劉志軍.組態軟件控制技術[M].北京：清華大學出版社，2010（8）.
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