摘 要：首先分析了該系統(tǒng)的工程應(yīng)用意義及價值，然后對系統(tǒng)硬件和軟件進行了設(shè)計，采用步進電機控制機械手底座的水平移動及旋轉(zhuǎn)移動，采用直流電機控制機械手的手臂，用舵機控制機械手的手爪。設(shè)計了PLC的外部接線，采用順序控制的編程方法編寫了控制程序。并且建立了兩臺PLC的PPI網(wǎng)絡(luò)通信。設(shè)計了觸摸屏監(jiān)控畫面，實現(xiàn)了對機械手的實時監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：PLC；機械手；步進電機；組態(tài)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.043

1 引言

機器人是在機械化、自動化發(fā)展浪潮中涌現(xiàn)出來的一種新型裝置，它的出現(xiàn)大大解放了生產(chǎn)工人的勞動，提高了勞動生產(chǎn)率。機器人技術(shù)是未來高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)具有重要意義。我國在863計劃、國家自然科學基金、國家科技重大專項等規(guī)劃中對機器人技術(shù)研究給予極大的重視[1]。

隨著工業(yè)4.0和我國的“中國制造2025”戰(zhàn)略的部署，我國大力發(fā)展制造業(yè)，而我國的制造業(yè)正處在上升期，隨著市場競爭的激烈、勞動力成本的逐年上升以及用戶對個性化、定制化的需求越來越迫切，老齡化社會的形成，一線工人減少的趨勢不可逆轉(zhuǎn)，我國制造業(yè)迫切需要升級改造，來提高經(jīng)濟效益，因此，對機器人產(chǎn)業(yè)具有迫切的需求。

2 系統(tǒng)的控制要求

要求機械手在4個工位之間依次搬運工件，控制程序具有“復(fù)位”“啟動”“停止”“急停”功能。

機械手在運動過程中，按“停止”按鈕，五自由度機械手完成當前動作后停止運行，按“啟動”按鈕，五自由度機械手繼續(xù)下一步動作。

在五自由度機械手運動時，按下“急停”開關(guān)，五自由度機械手立即停止移動及轉(zhuǎn)向，此時如需再次運行機械手，需親手將本次搬運途中掉下的工件拿到1號物料臺，再按“復(fù)位”按鈕“復(fù)位”完成后，按啟動可重新運行。

系統(tǒng)采用兩臺S7-200PLC，一臺作為從站對機械手進行控制，另一個臺作為主站監(jiān)控機器人的運行狀態(tài)。觸摸屏與主站PLC連接，實現(xiàn)對主站PLC和從站PLC的實時監(jiān)控，并控制PLC按上述流程完成搬運任務(wù)。

利用觸摸屏，可以對系統(tǒng)進行“復(fù)位”、“啟動”、“停止”“急停”等操作，并可以在觸摸屏上實時顯示當前五自由度機器人的運行狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)輸入需要有四個按鈕分別控制系統(tǒng)的“復(fù)位（SB1）”“啟動（SB2）”“停止（SB3）”“急停（SB4）”功能；還需有四個傳感器分別作為“原點”“右限位”“底座旋轉(zhuǎn)限位”的限位與控制。

機械手有五個自由度，分別是基座水平移動、基座旋轉(zhuǎn)、大臂抬放、小臂抬放、手爪夾緊和放松?；乃揭苿雍托D(zhuǎn)由步進電機來控制，步進電機分別由PLC的兩個高速脈沖輸出點Q0.0和Q0.1控制其速度；大臂和小臂由直流電機控制。手爪由舵機控制。

PLC控制結(jié)構(gòu)圖如圖2：

為節(jié)約成本，該系統(tǒng)只有水平移動和底座旋轉(zhuǎn)采用步進電機驅(qū)動，S7-200PLC只有兩個高速脈沖輸出點，其他三個自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪電機通過PLC的普通輸出點進行控制。

4 PLC的軟件設(shè)計

PLC軟件采用模塊化程序設(shè)計，由主程序模塊和6個子程序模塊組成，子程序包括水平移動、水平停止、旋轉(zhuǎn)移動、旋轉(zhuǎn)停止、水平復(fù)位、水平減速。程序結(jié)構(gòu)圖如圖3：

5 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與組態(tài)

西門子S7-200系列PLC支持多種通信協(xié)議，協(xié)議定義了主站與從站兩類通信設(shè)備，主站可以對網(wǎng)絡(luò)上另一臺（或多臺）設(shè)備從站發(fā)出命令，從站則響應(yīng)來自主站的命令。主、從站間的專用通信協(xié)議有PPI協(xié)議、MPI協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議和自由口協(xié)議。在實際應(yīng)用中，S7-200經(jīng)常采用PPI協(xié)議進行通信。S7-200通過PPI通信可以發(fā)揮其強大的通信功能，實現(xiàn)PLC與PLC、PLC與PC、PLC與其他智能設(shè)備之間的信息交換，組成集中管理的多級分布式PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[2]。

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用兩臺PLC，一臺作為從站用于控制機器人的動作，另一臺作為主站對從站的狀態(tài)進行監(jiān)控，用計算機在S7-200CPU處于STOP模式時對PLC進行編程，并對觸摸屏進行組態(tài)。

組態(tài)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用極大地提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的自動化水平。目前，基于組態(tài)技術(shù)，以PLC為核心的計算機測控系統(tǒng)一般是利用單臺PLC或PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)完成信號的前沿采集、檢測與控制功能，PC機和組態(tài)軟件只用于系統(tǒng)的監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)采用MCGS軟件進行組態(tài)，組態(tài)流程如圖5所示。

6 結(jié)術(shù)語

基于MCGS組態(tài)監(jiān)控的機械手主從網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在山東英才學院PLC實驗室調(diào)試通過并實際運行。該系統(tǒng)成本低廉，運行穩(wěn)定，采用MCGS進行系統(tǒng)開發(fā)，方便、快捷，可以在工程應(yīng)用中推廣使用。

參考文獻：

[1]譚民，王碩.機器人技術(shù)研究進展[J].自動化學報，2013，7（39）：7.

[2]朱奕丹，吳凱波.主從式S7-200PPI通信與MCGS監(jiān)控組態(tài)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006（25）：5.

項目支持：山東英才學院校級科研立項 （14YCYBZR06）

作者簡介：楊新軍（1977-），副教授，研究方向：控制理論與檢測技術(shù)。