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1、 http:/-1-中国中国科技论文在线科技论文在线机械手自动控制系统及其监控设计 韩琨，郝继飞*作者简介：韩琨，（1985-），男，在读研究生，研究方向：智能仪器仪表与嵌入式应用.E-mail:（中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221008）摘要：针对某机械手运行系统，设计了一套控制系统。其中，将用作为下位机的三菱 PLC来设计机械手自动控制系统运行的控制，用作为上位机的组态王软件来设计机械手的监控。PLC 的机械手控制系统通过使用组态王监控软件，使得用 PLC 控制的机械手界面更友好，可操作性更强，且可随时监控到机械手的运行情况。将上位机与下位机连接起来，使仿真机械手的运行得以实现监控。
2、关键词：工业自动化；PLC；组态王；机械手 中图分类号：TP273 Design of Manipulator Automatic Control and Monitor System Han Kun,Hao Jifei(School of Information and Electrical Engineering of CUMT,JiangSu XuZhou 221008)Abstract:Designed a control system for a robot operating system.Employ PLC to make program of mechanical hand
3、systems running control,and use KingView to design mechanical hand systems condition of montoring,by using KingView makes interface of PLC controlling manipulators more user friendly and operation easier to handle,and the condition of mechanical hand can be seen anytime.Last make contact with PLC an
4、d PC setuped with KingView,to put into practice of simulation mechanical hands montoring.Keywords:Industrial Automation;Manipulator;PLC;KingView 0 引言引言 在现代工业中，机械手应用在各个领域中，特别是在物体搬运、自动化车床、组合机床上使用较为普遍。在装配作业中应用广泛，在机械行业中它可以用来组装零部件，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，可在劳动条件差，单调重复，易疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动1,2。目前，机械手控制系统越来越多的由可编程序
5、控制器（PLC）来实现。在此，讲述了在机械行业中运用 PLC 控制机械手，并运用组态王软件对其实施监控的过程和原理。系统中所用到的是一个简单的运输机械手，机械手将一个物件从 A 处搬运到 B 处，其中能实行上升，下降，左移和右移，以及加紧物件的动作，而且所有这些动作的执行分为手动控制和自动控制。系统以三菱 FX2N PLC 的控制为主，并且在 PLC 控制中逐渐加入自动控制系统及其监控设计的部分，以方便操作者进行控制。1 机械手及其控制系统机械手及其控制系统 在现代工业中，机械手在各个领域有很好的应用和发展，特别是在物体搬运、自动化车床、组合机床上使用较为普遍，现代工业机械手的应用极为广泛。本
6、机械手控制系统为简单的运输型机械手，控制系统相对简单。将机械手在最左端，最上端（即机械手碰到上限开关和左限开关）且机械手为松开的状态为原始状态。在原始状态下，检测到左工作台上有工件时，机械手下降到低位，从 A 工作台上夹起物件，夹紧物件上升到高位，再从左侧的高位右移到右位的高位，在此时机械手下降到左侧的低位，放松物 http:/-2-中国中国科技论文在线科技论文在线件到 B 工作台上，然后上升到高位，左移恢复至原位。其示意图如图 1 所示。机械手A物架台B物架台左限位开关右限位开关上限位开关下限位开关右移左移上升下降 图 1 机械手运作示意图 Fig.1 Schematic Diagram o
7、f the Manipulator Operation 1.1 控制系统要求控制系统要求 本控制系统中设置手动和自动两种工作方式，并带有用组态王监控软件通过显示器来显示监控状态功能。当机器打到手动开关位置时，提供有上升、下降、左移、右移方向性操作按钮和机械手抓松紧的按钮，按下相应的手动操作按钮，可实现上升、下降、左移、右移、夹紧放松的手动控制，同时手动状态指示灯亮，并且实行相应动作时其相应的指示灯也会随之亮。当机械手处于原位时，可进行自动控制，当按下自动控制按钮时，其自动控制状态指示灯亮，进入自动工作状态，手动按钮无效。此时再按下启动按钮，机械手工作将开始工作，工作过程中全实行自动化状态。2
8、控制系统结构设计控制系统结构设计 2.1 控制系统设计控制系统设计 通过现场工艺分析，从硬件配置角度考虑，机械手控制系统运行过程的环境和系统运行的可靠性，并对各厂家的可编程控制器进行性价比分析，现场选用三菱 FX2N 型可编程控制器作为下位机，系统采用 PC 机作为上位机进行远程监控，且该 PC 机已经配备安装了北京亚控公司出版的组态王软件。下位机 PLC 设置程序来控制机械手系统。上位机对下位机进行数据读取，获得数据以用来监控机械手自动控制系统。系统采用 RS232 通讯方式，对上位机和下位机进行组合，实现机械手自动控制系统的全方位监控。2.1.1 下位机系统设计下位机系统设计 本系统将采用
9、三菱公司出产的 FX2N 型 PLC。该 PLC 具有内部功能强大可靠性高，抗干扰能力强，性能稳定，资源丰富，系统的设计工作量小，维护方便，容易改造，允许在较恶劣环境下工作，性价比好等优点，完全满足控制系统要求3。下位机软件设计主要是 PLC 梯形图及状态图的设计，系统采用的软件是与三菱 FX 系列 PLC 匹配的 FXGP_WIN-C 软件，该软件可实现数据采集、与上位机通讯和下达控制指令等4。根据系统要求，在这里编写了系统程序。程序流程图如图 2 所示。程序由主程序和两个子程序组成，主程序实现系统初始化、检测、判断，子程序分别实现手动和自动控制。按照系统设计要求，我们现对控制系统进行变量设
10、置，进行 I/O 地址分配。http:/-3-中国中国科技论文在线科技论文在线主程序PLC初始化检验是否有故障是否手动手动子程序自动子程序主程序结束是否是否 图 2 程序流程图 Fig.2 Program flow chart 通过程序流程图，我们逐渐来编写两个子程序，按照机械手控制自动系统的要求，在手动控制子程序中，机械手的上升、下降、左移、右移和机械手的松紧全部是靠人工手动按按钮来操作进行的。自动控制子程序可以节省人的体力和脑力，只需要按一下按钮，机械手就会自动将物体从 A 处搬到 B 处，而操作员不再需要随时对物体的运行情况进行观察。在自动部分程序中，为了使机械手运行各部分非常好的衔接，
11、各个动作互不影响，在自动部分的程序中，将采用步进指令来控制机械手。步进指令可以使梯形图程序容易被读懂，变成具有直观、简单的特点，可以使工作效率大为提高，而且调试极为方便。2.1.2 上位机系统设计上位机系统设计 上位机采用个人 PC，配以先进的国产组态王监控软件，与 PLC 进行通讯。上位机主要完成传送现场得到的监控数据、故障记录与报警等记录。组态王与 PLC 的通讯采用的是串行编辑口通信，组态王通过串行口访问相关 PLC 地址，以获得 PLC 控制设备的状态或修改相关寄存器的值5。在实际编辑过程中，不需要编辑读写 PLC 寄存器的程序，组态王提供了一种数据的定义方法，定义 I/O 变量后可直
12、接用于系统控制、操作显示、趋势分析、操作记录、数据记录和报警等显示6。2.1.3 设备连接的参数设置设备连接的参数设置 在安装组态王的同时，也要安装组态王的通讯驱动程序。除此之外，还需要对组态王进行通讯参数设置，使 PLC 通过编程口与上位计算机串行口连接。首先是将 PLC 的通讯口与 PC 机的 COM 端口进行连接，利用 PLC 与计算机专用的 F2-232CAB 型 RS232C 电缆，将电缆连接到“组态王计算机”的串口。然后再设备配置串口(COM 口),进行参数设置，设置通讯波特率。进行设计机械手自动控制系统组态王监控的设计。首先打开工程浏览器，选定我们的工程。之后开始构造数据库，数据
13、库是组态王软件的核心部分，在工程管理器中，选择数据库数据词典，双击“新建图标”，弹出“变量属性”对话框。定义 FX2N 型 PLC 相应寄存器。根据已有的 I/O 地址分配，系统程序将定义 I/O 离散变量，在设置完所有的变量后，设计者可以开始进入“创建画面”部分，然后开始创建系统的画面7。本系统的绘制的监控画面如图 3 所示。http:/-4-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 3 机械手系统运行时监控画面 Fig.3 Screen of Manipulator System run-time Monitoring 然后我们可以使用动画连接使我们所建立的画面。命令语言的格式类似 C 语言的
14、格式，可以说是 C 的一个简化子集，具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL 函数和系统函数。工程人员可以利用其来增强应用程序的灵活性。组态王的命令语言编辑环境已经编好，用户只要按规范编写程序段即可。2.1.4 上位机与下位机的通讯上位机与下位机的通讯 上位机与下位机都准备就绪后，只差上位机与下位机的通讯。我们需要从 PC 机上用三菱 PLC 的相关软件，将程序的梯形图传送到 PLC 中。我们可以打开 FXGP_WIN-C 软件，当编辑完梯形图后，点击 PLC传送写出。等程序传送完毕后，PLC 中便有了系统相应的程序。上位机打开组态王软件，进入机械手控制
15、系统监控工程，点击工具栏里的 VIEW。进入监控画面。再将下位机 PLC 的由 STOP 打到 RUN，则 PLC 开始运行。之后通过执行相应的操作，来控制机械手相应的动作。至于机械手自动控制系统的运行，我们可以通过显示器来监控。3 结论结论 机械手自动控制系统及其监控在各种工业场所中可以到广泛的利用，同时也可以可以作为电气自动化及自动化等专业的 PLC、计算机相关课程的实践教学平台。利用工控组态软件实现 PLC 与上位计算机通信的方法简单易行，本仿真机械手自动控制系统利用组态软件组态王 6.53，配合简单的 PLC 主机，在 PC 机的界面上得以实现。所以利用 PLC 主机、PC 机及工控组
16、态软件设计实现的机械手自动控制系统，在 PLC、组态软件应用及机械手控制等课程教学及工业实际应用中，具有突出的优点和很好的利用价值。参考文献参考文献(References)1 张玉芝.PLC 在机械手控制系统中的应用J.山东纺织经济,2005,10(2):39-40.2 王士军,郑新志.机械手 PLC 自动控制系统J.山东轻工业学院学报,2004,18(3):47-50.3 郑瑜平.可编程控制器M.北京:北京航空航天大学出版社,1997.4 日本三菱公司.三菱 FX2N 系列 PLC 编程手册M.1996.5 吕涌.组态化结构的组态软件的研究与开发J.电气自动化,2000,22(5):44-48.6 王绵纬,贾石峰.PLC 和组态王在软水处理系统中的应用J.电气时代 2006,10(4):51-53.7 张金果,孙和茹,李洪涛等.浅谈 PLC 实验教学的改革J.黑龙江科技信息,2008,22(33):188.