基于PLC和MCGS的機械手裝配系統設計

付保英

（鶴壁職業技術學院機電工程學院， 河南鶴壁 458030）

0 引言

機械手控制一般是由機械裝置、傳動機構、PLC 和觸摸屏等元件構成的一種機電一體化工業裝備[1]。其可以代替人手從事一些特殊的、惡劣的環境生產，實現搬運、裝配、分揀等控制，如沖壓、鍛造、熱處理、噴漆等各個行業，特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的生產環境顯得尤為重要[2]，機械手裝配控制更是工業自動化生產線作業中的典型控制任務。本文將硬件系統、軟件程序、觸摸屏系統通過組網通信，構成一個典型的機電一體化系統，旨在將機械設備按照用戶的控制要求，有效地運行，提高企業的自動化程度，為相應行業的研究提供一個綜合的應用分析。為了使機械手按照生產實際的需求完成一定的控制任務，其設計過程應包括控制系統的搭建、軟件程序的設計、硬件設備與程序的聯調，再加上觸摸屏技術的快速發展，監控系統是自動化控制必不可少的內容。

1 機械手的控制要求及功能分析

該機械手的任務是將上一工位加工好的工件與本工位料倉中的工件完成裝配的任務。機械手裝配系統如圖1所示。

圖1 機械手裝配系統

上一工位加工好的工件已經放置在了本工位的大料臺上，本工位有一個供料機構，自動提供待裝配的工件。當滿足大料臺有料、小料臺有料，機械手裝置將自動動作完成抓取、裝配工作。機械手控制的動作過程為：滿足裝配條件，機械手下降、下降到位抓取本工位的小工件、夾著工件上升、夾著工件伸出、夾著工件下降，下降到大工件的正上方合適的位置處，機械手松開，小工件在重力作用下裝配到大工件里，完成大、小工件的一次裝配任務。

為確保機械手裝配系統的可靠運行，控制系統應具有以下功能：（1）單步運行，從初始步開始，按一下啟動按鈕，機械手按照順序功能圖的順序執行一步動作后，停在該步，再按一下啟動按鈕，才執行下一步操作，主要用于系統調試；（2）單周期運行，按下啟動按鈕，機械手從初始位置按順序執行完一個周期的動作后，返回并停留在原點位置；（3）連續運行，按下啟動按鈕，機械手從初始步開始完成一個周期工作后，又開始裝配下一組工件，反復連續工作下去，直到按下停止按鈕，當前周期執行完才停止[3]；（4）監控功能，監控系統實時監控機械手的運行狀態；（5）具有對物料不足、系統故障等的報警功能。

2 控制系統結構

機械手控制系統的設計要充分考慮機械手工作的環境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能地使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元器件，以降低成本，提高可靠性[4]。要實現機械手自動裝配的控制要求，本系統的設計與調試是基于自動化生產線系統來完成。

2.1 供料機構

供料機構動作示意圖如圖2所示。待裝配的小工件放在一個豎型料倉中，豎型料倉由底座和料倉組成，料倉的側壁上裝有頂料氣缸和擋料氣缸2個直線氣缸，2個氣缸分別由2個單電控電磁閥驅動，初始狀態擋料氣缸伸出、頂料氣缸伸出，如圖2（a）所示，擋料氣缸擋著下層的工件不掉落，每個氣缸上都裝有2個磁性開關，共4個，用于檢測氣缸的伸出、縮回位置。當需要落料時，其過程為：頂料氣缸頂出、擋料氣缸縮回，最底層的工件在重力作用下，落到料盤中，如圖2（b）所示；而后，擋料又伸出，如圖2（c）所示，頂料縮回，工件在重力作用下下落，如圖2（d）所示；最后，頂料再伸出，回到初始狀態，如圖2（e）所示。供料機構的動作流程用順序功能圖表示，如圖3所示。M0.0是初始步，表示系統的初始狀態；M0.1為系統動作的第一個階段即第一步；M0.2 為第二步。以此類推，M0.6為最后一步，其動作是頂料伸出，伸出到位后回到初始狀態，頂料氣缸、擋料氣缸均伸出，為下一次落料做好準備。

圖2 供料機構動作

圖3 供料機構順序功能圖

2.2 旋轉機構

為了保證裝配系統的連續運行，必須使供料及時，還應該有旋轉機構把小料提供到機械手的正下方，以供裝配。旋轉機構由料盤、氣動擺臺、2個磁性開關（檢測料盤位置）、2個光電開關（檢測料盤物料有無）等組成。用順序功能圖表示旋轉機構的動作流程如圖4所示。初始狀態料盤是左旋到位或是右旋到位狀態，當左料盤有料、右料盤無料時，料盤就需要旋轉，將有料的一側盤旋轉到機械手下方，以備抓取。

圖4 旋轉機構順序功能圖

2.3 機械手裝配機構

機械手是整個裝配系統的主要部分，旋轉料盤的右側有小料時，將其傳送給PLC，裝配臺的光纖傳感器檢測到有上一工序送來的待裝配的大工件時，機械手從初始位置執行大小工件的裝配任務。裝配機械手可以實現三維運動，即水平方向的伸出與縮回、豎直方向的上升與下降、手爪的夾緊與松開，分別由2 個導桿氣缸和1 個氣動手指實現[5]，如圖5 所示。氣缸的伸出行程，也就是機械手伸出、下降的行程，可調節行程調整板實現。

圖5 導桿氣缸

右料盤有料且物料臺有料，PLC 輸出得電，下降電磁閥線圈得電，驅動機械手下降，下降到位后，夾緊電磁閥線圈得電，機械手夾緊，夾著小工件上升，上升到位后，伸縮電磁閥線圈得電，使伸縮氣缸伸出，伸出到位后，再次下降，下降到大工件的正上方時，夾緊電磁閥線圈失電，手爪松開，小工件落入大工件中，完成一次裝配任務，隨后機械手返回至初始狀態，其控制順序功能圖如圖6所示。

圖6 主程序

3 控制系統程序設計

3.1 控制流程

整個機械手裝配系統的各個部分在PLC 的控制下有條不紊地運行。旋轉料盤左邊物料時，在頂料氣缸與擋料氣缸的合理配合下，完成小工件的自動下落。當機械手的正下方沒有待抓取的工件時，旋轉料盤自動實現180°旋轉，將有料的一側旋轉到機械手的下方，為裝配任務做好準備。只要機械手的正下方有料，裝配臺上有料，機械手就自動按照動作流程，將小工件裝配到大工件中。

3.2 輸入/輸出信號

機械手裝配系統的輸入信號主要有檢測氣缸位置的磁性開關、檢測工件有無的光電開關和光纖傳感器；輸出信號主要是控制各個氣缸動作的電磁閥線圈。輸入、輸出信號的分布情況如表1所示。

表1 機械手裝配系統輸入/輸出信號分布

3.3 程序結構

機械手裝配系統的編程分為：供料、旋轉和裝配3 個部分，各部分可以單獨編程，把各部分的程序放在子程序，在主程序中調用各子程序，如圖6所示。

編程時需注意：（1）頂料和擋料氣缸在未通電時都是伸出狀態；（2）當判斷左側料盤無料時，要等待2 s 之后再下料，以免料盤在旋轉時（未旋轉到位）會檢測到左側無料而下料，物料落不到料盤中；（3）當料倉底層無料時，讓頂料氣缸縮回，這樣在裝料時料會落到擋料板，從而避免裝料時因頂料氣缸伸出而物料落不到擋料板上；（4）料盤的旋轉條件是判斷當前料盤是處于左轉到位還是右轉到位，如果左轉到位且左側有料右側無料，則料盤右轉，反之亦然；（5）在裝配完畢后，仍然要等物料被機械手拿走后程序才回到初始等待步。

4 監控系統設計

機械手裝配的監控系統，可以實現觸摸屏啟動、停止系統運行、顯示機械手的運行狀態等功能。選用北京昆侖通泰TCP 7062KS觸摸屏，與S7-200PLC采用串口進行通信[6]。

4.1 畫面的設計與編輯

監控系統首先要設計監控畫面，在MCGS 嵌入版組態環境下，可以建立多個用戶窗口，進入窗口即可進行畫面的設計。參考設計畫面如圖7所示，有機械手的動作狀態指示，跟隨實際機械手的動作而動作，還畫出了8個指示燈，分別是上升、下降、伸出、縮回、放松與夾緊6 個機械手的動作指示燈，當機械手處于何種動作，對應的指示燈就會亮，另外2個是啟動按鈕和停止按鈕的狀態指示。

圖7 機械手裝配監控畫面

4.2 動畫連接與調試

動畫連接就是將畫面中的元素與對應的變量關聯起來，并設置元素的動作類型[7]。在這之前，在實時數據庫中已經添加了監控系統所需的變量，這里的監控畫面只需對按鈕和指示燈這兩類元件進行動畫設置。

（1）按鈕的動畫連接

雙擊按鈕-操作屬性-勾選數據對象值操作-選擇“按1松0”，后邊連接對應的啟動或是停止按鈕，保存。

（2）指示燈的動畫連接

雙擊指示燈，勾選可見度，即“當表達式非零時”，選擇“對應圖符不可見”，設置完成后點擊保存，退出即可。

4.3 設備連接與配置

設備的連接是將監控系統中所用到的設備在這里通過配置建立通訊，包括添加設備、設置設備屬性、調試設備3部分。首先，將“通用串口父設備” 和“西門子S7-200 PPI” 設備添加到設備窗口下；再分別設置 “通用串口父設備” 和 “西門子S7-200 PPI” 設備的基本屬性；最后將MCGS變量與PLC通道進行連接[8]。

5 結束語

機械手裝配系統廣泛應用在自動化流水線作業中，本文充分利用了PLC強大的控制功能，通過程序，根據輸入信號的變化，改變輸出驅動的狀態，也可以方便地根據用戶需求進行控制程序的改進，靈活地實現控制要求。觸摸屏技術可以實現遠程操作、實時監控、系統報警、報表顯示等功能，增加了系統的可視性。PLC與上位機觸摸屏建立通信，保證了機械手裝配各動作間的順序邏輯關系，通過模擬運行，提高了系統運行的可靠性與安全性。