机械手模型控制系统设计
摘要：机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。本装置实现了机械手的自动控制，具体包括开机自复位以及自动完成生产所需的目标操作，并且实现暂停后可继续操作。本装置采用PLC控制，可通过调整机械手的限位开关来调整机械手的活动范围，具体机械手的运作通过控制电机的正反转来实现机械手的前伸和缩回，上升和下降，手的正反转，底盘的正反转以及通过电磁阀来实现机械手的张开和闭合，并通过MCGS组态软件监视和控制。
关键词：机械手；步进电机；直流电机；PLC ；MCGS
Design of Manipulator Model Control System
Abstract：In automatic manipulator is used in the production process of a kind of has crawled and mobile workpiece function of automatic device. This device realizes the automatic control of the manipulator, specific include boot from dangerous and automatically complete the required for production target operation, and realize suspended after can continue to operate.The device is controlled by PLC, through the adjustment of the manipulator limit switches to adjust manipulator range of activities, and the specific operation of the manipulator by controlling motor are turning and reversal of the manipulator stretch and realize before covering, Up and down, hands are turning and reverse, chassis are turning and reverse and through the electromagnetic valve to realize open and close of the manipulator, and through the MCGS software to monitoring and control.
Keywords： Manipulator;Stepping motor;Dc motor;PLC;MCGS;
一、设计目的和意义
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种装置，是机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的各种优点，尤其体现了人的智能性和适应性。在现代生产过程中，机械手广泛应用于各种场合。虽然相比于人类来说机械手的灵活性较差，但由于人工操作进行简单操作的劳动生产率较低，不仅生产成本较高，而且容易受其他各方面因素影响。而机械手可以解决这些方面的问题，通过对机械手的控制来进行简单的操作，不仅能提高劳动生产率，还能降低成本，生产情况也比较稳定且能保证产品的质量，更重要的是机械手能代替人们从事危险性较高的工作，通过对机械手进行远程控制来完成一些难以完成的工作，从而实现生产过程中抓取和移动工件的自动化和高效化。
二、控制要求
实现开机装置自动复位，自动寻找初始位置，实现横轴的前申与收回，竖轴的升起与
下降，手的正反转，手的张开与闭合，以及底盘的正反转等动作。具体操作步骤如下：
(1)横轴前升 (2)手旋转到位 (3)电磁阀动作，手张开
(4)竖轴下降 (5)电磁阀复位，手夹紧 (6)竖轴上升
(7)横轴缩回 (8)底盘旋转到位 (9)横轴前升
(10)手旋转 (11)竖轴下降 (12)电磁阀动作，手张开
(13)竖轴上升 (14)电磁阀复位，手闭合 (15)横轴缩回
(16)底盘旋转还原
三、设计方案论证
方案一：
运用PLC通过控制电机的正反转来实现控制机械手的横轴前伸和缩回，竖轴的上升和下降，手和底盘的旋转，控制电磁阀的通断来实现手的张开和夹紧。而机械手的动作时间就通过计时器来控制。
优点：可以很方便的通过改变计时器的设定值来改变机械手每一个动作的时间从而扩大机械手的工作范围和适应性
缺点：稳定性较差，抗干扰能力差，由于电压不稳或者其他原因导致电击转速差别，从而导致机械手在相同时间内到达的位置不同，使机械手缺乏准确性。
方案二：
同样采用运用PLC控制电机的正反转来控制机械手轴的前后上下动作，手和底盘的旋转，通过控制电磁阀的通断来实现手的张开和夹紧。但机械手的具体动作时间和范围由安装在机械手上的限位开关来控制。在机械手的横轴两端分别安装两个限位开关，竖轴两端分别安装两个限位开关，手和底盘的旋转到位点和起始点分别安装两个限位开关。这样通过触发限位开关来停止机械手的某一部分动作并进行下一部分动作。
优点：准确性高，抗干扰能力强，不受电机转速的影响。
缺点：要调整机械手的工作范围必须调整限位开关的位置，相对而言调整起来较为麻烦。
结论：
经过比较，虽然方案二的调整较为麻烦，但方案二所设计的机械手准确性和抗干扰能力更强，不容易受到复杂生产环境的影响，所以采用方案二。
四、系统设计
PLC程序设计：
机械手的横轴和竖轴由步进电机控制，手和底盘由直流电机控制，手的张开和闭合由电磁阀来控制。
步进电机的驱动由PLC的两个输出口分别输出输出脉冲信号和方向信号来控制步进电机的正转和反转，其中横轴的前伸和缩回由Y0口输出的脉冲和Y2口输出的方向信号控制一个步进电机，竖轴上升和下降由Y1口输出的脉冲和Y3口输出的方向信号来控制另一个步进电机。在松下FP0PLC编程软件中通过F169指令输出脉冲和方向信号。步进电机的驱动器与PLC的连接图见图1。
图1 步进电机的驱动器与PLC的连接图
直流电机的正反转通过反接电源的正负极来实现。如图2所示，当K1闭合时，直流电机正转，当K2闭合时，直流电机反转。用两个直流电机分别控制手的正反转和底盘的正反转。
图2 直流电机原理图
电磁阀通电时，电磁阀打开，手张开；电磁阀断电时，闭合，手夹紧。
程序中控制电机复位、启动、停止通过计数器来实现。计数器首次扫描时，计数器位OFF，当前值为设定值，每输入一个上升沿，计数器当前值减一，当计数器当前值为零时，计数器位ON，计数停止。当复位端为高电平或有上升沿时，计数器复位，计时器位OFF，当前值变为设定值，重新开始计数。
PLC程序中每个同坐都使通过之前一个动作执行完成后触碰限位开关来终止前一个动作，执行下一个动作。
机械手的各个部件的初始位置为：横轴缩回，竖轴上升，手反转至限位开关，底盘反转至限位开关，电磁阀复位，手夹紧。当开机时若机械手的各个部件位置不在初始位置，机械手自动寻找初始位置。
根据控制要求设定PLC的I/O口分配地址如下：
输入： 输出：
X0 横轴正限位 Y0 横轴脉冲
X1 竖轴正限位 Y1 竖轴脉冲
X2 横轴反限位 X3 竖轴反限位 X20 手正转限位 X21 手反转限位 X22 底座正限位 X23 底座反限位 Y24 电磁阀动作
PLC程序附报告后。
MCGS监控画面：
Y2 横轴方向
Y3 竖轴方向
Y20 手正转
Y21 手反转
Y22 底盘正转
Y23 底盘反转
MCGS即“监视与控制系统”， 是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
MCGS由五个部分组成，分别为主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库，运行策略，通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。MCGS能产生动画效果让系统更加直观简单的面对用户，并且可以通过MCGS对系统进行控制，避免了繁琐的编程工作。
1.建立工程
建立工程名为“机械手”并保存，并在用户窗口设置为开机启动窗口。
2.建立画面
进入用户窗口，单击工具箱，在工具箱中选择“插入原件”，选择其中的传输带一和传输带二，插入到用户窗口中。其中传输带一表示竖轴，传输带二表示横轴，再再插入原件中插入开关三，用作复位开关。在工具箱中单击“标准按钮”，在用户窗口中画两个标准按钮，分别设置为启动和停止按钮，单击“A”，在横轴下面画三个模块表示手和电磁阀，在竖轴下方画三个模块表示底盘，如图3所示。
图3 机械手的MCGS用户窗口图
3.设置实时数据库
在上方菜单栏中选择查看——工作台面——实时数据库，设置对象以及对象属性，都为开关量，分别是横前、横后、竖上、竖下、手左、手右、盘左、盘右、电磁阀，启动，停止，复位分别表示机械手的每个操作和对机械手进行控制，除了复位之外，其他对象的初始值均设置为零，如图4所示。
图4 MCGS实时数据库设置
4.动画连接
设置完实时数据库后，同样通过查看——工作台面——用户窗口进入画面的编辑窗口，进行动画连接。
双击传输带二，在动画组态属性设置中设置属性，水平移动属性设置见图5:
图5 传输带二的水平移动属性设置
垂直移动属性设置见图6:
图6 传输带二的垂直移动属性设置
表示手的三个模块的水平移动和垂直移动属性与表示横轴的传输带二的属性相同，为了表示手的转动，通过填充颜色来实现，从左至右三个模块的属性设置分别如图7、图8、
图9所示:
图7 表示手的模块一填充颜色设置
图8 表示手的模块二填充颜色设置
图9 表示手的模块三填充颜色设置
为了表示手的张开和夹紧，通过模块2的可见度的变化来实现，如图10：
图10 表示电磁阀的模块的可见度设置
底盘的转动通过通过竖轴下方的三个模块改变填充颜色来实现，具体设置与手的三个模块相似。启动按钮的属性设置中将数据对象值操作设置为“按1松0”和“启动”，如图11：
图11 启动按钮的操作属性设置
与启动按钮属性设置相似，设置停止按钮的属性设置中操作属性为“按1松0”和“停止”，复位开关属性设置中按钮输入和可见度均设置为复位。完成动画连接。
PLC和MCGS的连接：
单击查看——工作台面——设备窗口，双击“设备窗口”，在设备工具箱中单击设备管理，选择“串口通讯父设备”和“松下FP系列PLC”并单击确定。
查看PLC的通讯设置后，如图12：
图12 PLC通信设置
将串口通讯父设备的属性设置为与PLC的通讯设置属性相同，属性设置图如图13：
图13 串口通讯父设备基本属性设置
双击松下FP系列PLC设置属性，在基本属性中设置内部属性如图14：
图14 松下FP系列PLC内部属性设置
单击通道连接，设置属性如图15：
图15 松下FP系列PLC通道连接设置
这样就完成了PLC和MCGS的连接。
五、设计结果及分析
程序的运行过程如下：打开电源开关，将PLC程序下入PLC中，关闭PLC编程窗口。打开MCGS组态画面并运行。
运行程序，若此时机械手不在初始位置，机械手自动寻找初始位置，动作依次为上升——缩回——手反转——底盘反转——停止。若机械手在初始位置，则机械手无动作。无论是否为初始位置，电磁阀始终闭合。当机械手回到初始位置后，关闭复位按钮，并单击MCGS中启动按钮后，机械手进行如下操作：
(1)横轴前伸，离开横轴正限位开关；
(2)触碰横轴反限位开关后停止前伸，同时手开始旋转，离开手反限位开关；
(3)手旋转到手正限位开关时，手停止旋转，电磁阀张开。
(4)电磁阀张开，竖轴开始下降并离开竖轴正限位开关；
(5)碰到竖轴反限位开关时，竖轴停止下降，同时电磁阀夹紧，；
(6)电磁阀夹紧后，竖轴开始上升，离开竖轴反限位开关；
(7)竖轴上升触碰正限位开关后，停止上升，同时横轴缩回，离开横轴反限位开关；
(8)横轴触碰正限位开关后停止缩回，同时底盘开始旋转，离开反限位开关；
(9)底盘到达正限位开关时，横轴开始前伸，离开横轴正限位开关；
(10)横轴触碰反限位开关后，手反向旋转，离开正限位开关；
(11)手触碰反限位开关后，手停止旋转，同时竖轴下降，离开竖轴正限位开关；
(12)竖轴触碰反限位开关时，停止下降，电磁阀张开。
(13)电磁阀张开后，竖轴开始上升，离开反限位开关；
(14)竖轴触碰正限位开关时，停止上升，电磁阀夹紧。
(15)电磁阀夹紧后，横轴缩回，离开反限位开关；
(16)横轴触碰正限位开关时，横轴停止缩回，底盘反向旋转，离开正限位开关；
(17)底盘触碰反限位开关后，底盘停止旋转，同时横轴前伸，重复之前动作。
运行过程中，单击停止按钮可另机械手停止动作，打开复位按钮可另机械手复位后停止。根据运行结果来看本次设计完成了设计要求，运行过程中未出现问题。
MCGS的监控运行如图16：
图16 MCGS监控图
