摘要：为了适应现代化快速生产的需求和提高企业生产效率，针对传统生产线产品生产自动化程度低、成本高及路径复杂等不足，设计了一种自动化程度较高且动作简单的产品自动化生产搬运机械手。基于 PLC 控制的搬运机械手 设计方案，并采用 MCGS 组态监控。以软件编程代替硬件控制完成机械手的运动控制，在一定程度上提高了搬运机械手 系统的灵活性。
关键词：自动化生产线；机械手；生产效率
随着经济的不断发展、人民美好生活对物质提高了要求，特别是对饮食和衣着方面。因此，提高生产技术至关重要，而在工业生产中，机械手具有稳定性高、操作简单、以及高效率特点，很好的适应在特殊场合和工作环境中，广泛应用在工业、食品、医疗等领域。在现代机械加工领域，机械手广泛应用于中小批量生产的自动化生产线上，用于替代人类的繁重劳动，实现生产的机械化和自动化。搬运机械手由于定位准确、工作稳定、结构灵活多样等特点，可用来在不同的工业环境中完成搬运物体的工作。搬运机械手的核心是其控制系统，传统的搬运机械手采用机电液气联合控制，接线复杂，可靠性不高。基于 PLC 控制的搬运机械手设计方案，并采用组态监控，为搬运机械手的运动提供了一个仿真的工业环境，通过软件控制代替硬接线控制，以软件编程完成搬运机械手运动过程的动作修改和控制，在一定程度上提高了搬运机械手系统的灵活性。
一、运机械手的结构和控制要求
机械手本体采用关节式结构，可实现直线运动和旋转运动。各动作由气动装置驱动，由电磁阀控制气缸内气流的方向，动作顺序由磁性接近开关发出信号，各动作的运行间隔按时间原则设计，结合生产线中的搬运工作过程，对于气动机械手的控制要求如下：
1、选择“自动控制”时，按下启动按钮，待工作台检测到工件到位后，双杆气缸驱动大臂伸出。伸出到位后，由前限位磁性接近开关发出指令，使得升降气缸驱动小臂下降。下降到底后，由下限位磁性接近开关发出指令，使得下降过程结束，此时工件应位于机械手爪抓取的范围内。经延时ls后，气动手爪夹紧工件，并准备搬运。
2、确定工件被夹紧后(此处可再加延时)，小臂上升至上限位磁性接近开关动作。大臂缩回，至后限位磁性接近开关动作。机械手带动工件旋转至右侧传送带工位，由右限位磁性开关发出到位信号。大臂重新伸出，至前限位磁性接近开关动作。小臂再次下降，至下限位磁性接近开关动作。经延时ls后，气动手爪下放工件，搬运过程结束，小臂又一次上升至上限位磁性接近开关动作。大臂也又一次缩回至至后限位磁性接近开关动作。机械手左旋至原点，由左限位磁性开关发出到位信号。完成一次工作循环后等待工作台上的工件到位指令，重复t述过程。按下停止按钮，待当前循环执行完毕后机械手停止工作。当切换至“手动控制”状态时，按下对应的按钮，机械手根据命令执行当前工步。
二、搬运机械手控制系统设计
1、搬运机械手运动过程。搬运机械手是一个整体的单元，其动作顺序为：开始→横臂伸出→竖臂伸出→手指夹紧→竖臂收回→横臂收回→摆动右摆→横臂伸出→竖臂伸出→手指松开→竖臂收回→横臂收回→摆动左摆→循环开始，其运动过程
其中搬运机械手左转右转到位，横臂的伸出与收回到位，竖臂的伸出与收回到位都由相应的接近开关进行检测，已确保动作到位。摆动气缸的旋转运动，双活塞气缸的伸出与收回动作以及机械手抓得开合都由电磁阀来控制，根据通电形式的不同，完成不同的动作。按照机械手的控制要求，在气动系统设计中，采用双控电磁阀来控制双杆气缸的伸缩运动、升降气缸的上下运动、旋转气缸的左右旋动，并均可通过单向节流阀实现速度控制，而用单控电磁阀来控制夹紧气缸的夹紧和放松。由磁性接近开关来控制相应的电磁阀电磁铁得电情况，以配合完成对应的工序。为了解决机械手左右旋动时产生的碰撞问题，使用了油压缓冲器降低冲击力。
控制系统分为手动和自动两种工作方式，并且可以进行单动和联动控制。
2、搬运机械手控制系统的 PLC 改造。通过对搬运机械手控制线路及加工工艺的分析，输入信号为按钮、选择开关、接近开关等主令电器；输出信号为继电气线圈、电磁阀等控制电器。结合搬运机械手的运动过程，该系统需要 15 个输入点、6 个输出点，同时考虑为系统留出足够的备用量，故选择西门子 S7-200 系列的 CPU226 型 PLC 作为控制器件。S7-200CPU226 型 PLC 集成 40 个数字量I/O 点，可连接 7 个扩展模块。具有 PID 控制器，2 个RS485 通讯 / 编程口，具有 PPI 、MPI 和自由方式通讯协议。功能较完善，可以满足系统控制要求。
3、搬运机械手控制系统的组态监控。由于 MCGS 组态软件支持西门子系列 PLC 通过PPI 接口进行通信连接，搬运机械手采用 MCGS 组态软件进行监控。在软件的设备窗口运行窗口设置好参数并建立动画连接后，通过计算机与 PLC 之间的通信就可以实现机械手的模拟控制。系统在启动时，不需要完成特殊的操作和功能，因此可以不设置启动策略。主要的系统运行策略可以分为自动控制和手动控制策略。但是手动控制和自动控制切换过程中需要先平衡，既让所有设备先恢复到初始状态，所以应具备手动和自动切换策略。搬运机械手组态画面建立
在利用 MCGS 进行控制系统的组态过程中，要根据系统的具体控制要求完成其策略的组态。再考虑一个工程中相关的控制策略时，尤其对于像机械手这样较复杂的应用工程，只需定制若干能完成特定功能的构件，将其增加到 MCGS 系统中，就可使已有的监控系统增添各种灵活的控制功能，而无需对整个系统作修改。
三、系统的软件设计及调试
1、搬运机械手的程序设计。在了解搬运机械手的运动过程和控制要求后，根据搬运机械手 PLC 控制系统的功能确定出所需的输入、输出点数。首先进行程序流程图设计，根据控制系统的程序流程图进行编程。在编程过程中要考虑是否联网通信。结合原有的硬接线控制电路，设计搬运机械手的 PLC 控制程序。在程序设计过程中，我们对搬运机械手的运动过程进行分解，即编程时进行分块设计，最后在组合各部分子程序，构成完整的系统程序。
2、控制程序的综合调试。一般的程序设计如果没有现场的综合调试很难验证其准确性，只有通过现场的联机调试才能发现控制线路当中不能满足实际要求的地方。现场硬件线路连接正确，程序编译无误后，我们将程序下载到PLC，启动整个控制系统，并监视组态画面，观察搬运机械手的实际运动过程是否符合控制要求。经过现场联机调试修改直至无误，就可以确定整个控制线路和系统程序了。
通过新技术对传统搬运机械手进行改造，将极大提高设备的生产效益。传统搬运机械手在进行 PLC技术改造后，控制线路得到了简化，使其功能区域完善。在进行组态监控后，降低了劳动强度，提高了整个系统的灵活性。经过实际检验，该系统运行稳定可靠，应用前景广阔。当下我国机械加工领域通用设备较多，随着工业新技术的发展，结合生产实践，给我国机械加工领域传统设备的升级改造提供了有力的技术支持和保障。
参考文献：
［1］刘士川，邓甲昊，占银玉．基于 STM32 的小型机械手的设计与控制方法［J］． 探测与控制学报，2017，39( 2) :19 － 23．
［2］姚猛，韩宝玲．工业码垛机器人机构设计与运动分析［J］．组合机床与自动化加工技术，2018( 5) : 47 － 50．