1 引言
机械手能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，代替人手对工件进行搬运等操作。这不仅可以使人手避免可能出现的危险情况，保障生产安全，还能促进工作线的流水化，提高工作效率。
鉴于PLC顺序控制的自身特点，应用PLc控制机械手实现各种规定的动作工序，可以简化控制线路，提高可靠性，在保证劳动生产率的条件下节约成本。同时，上位机监控系统可以采用组态王Kingview组态软件设计，能够实现实时显示数据、动画显示、流程控制等功能。
2 机械手的设计
本文设计的机械手具有三个自由度，分别由机械手腰关节、肩关节和肘关节三个部分进行控制和联动，其结构简图如图1所示。机械手的全部动作由各个关节的伺服电机进行驱动控制。机械手臂的摆动动作就是通过控制步进电机的正反转来实现的。机械手的放松／夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手手爪夹紧。
该机械手的工作过程如下：打开电源，按下起动按钮时，开机复位。开始检测机械手在不在原点，若不在原点
则PLC向驱动器同时输入脉冲信号和电平信号，使电机反转，进而使机械手处于原点位置。当手臂摆动到位时，碰到限位开关，摆动停止，电磁阀断电，机械手夹紧。夹紧之后，主机向驱动器只输人脉冲信号，使电机正转，机械手上升。碰到上限位开关后，上升停止。然后各机械臂电机反向摆动，碰到限位开关后摆动停止，同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。
腰关节可以带动机身在水平面内做旋转运动，使机械手的工作范围扩大。由于齿轮系传动具有传动形式简单、传动精度高、传动效率较高的特点，所以在其内部采用二级齿轮减速传动。
肩关节为一种悬臂梁结构，传动方式为蜗轮蜗杆副传动。
肘关节的传动采用摆动螺旋结构，这种结构也具有稳定可靠、结构紧凑的特点。这三个关节都是由直流力矩电机驱动。
3 系统的网络结构
根据机械手控制系统的工艺要求和技术要求，采用基于PLC和组态软件相结合的自动控制系统。系统包括两层，即PLC现场控制层和上位机监控层，如图2所示。
现场对机械手的控制采用西门子公司S7—200系列的PLC作为控制系统的核心进行数据采集和控制输出设备。上位机监控层采用组态王软件Kingview提供逼真形象的人机界面，便于操作人员进行操作。下位机PLc和上位机组态王Kingview之间的通讯通过服务器和PPI电缆实现。该技术可以达到本系统要求，实现过程控制的链接和嵌入。
PLC可以利用服务包向上位机提供数据服务，不但可以将机械手的各个运行参数实时地采集到组态王对应的变量中，由组态王统一管理后给出系统各部分的运行趋势、数据报表以及报警时间，还可以根据上位机的指令和一定的程序设置驱动电机．从而使机械手执行相关的动作。
4 系统的软件
4.1 PLC的I/O接口设计
机械手的控制可以分为手动控制和自动控制这两种方式。手动控制分为手动和回到原点两种操作，自动操作分为单步和连续操作。根据机械手动作的要求，对输入点和输出点进行分配。输入端子分配情况如表1所示，输出端子分配情况表如表2所示。
其中，SQl～SQ8分别为手部、小臂、大臂以及腰部的限位开关，占用8个输入点；SBl、SB2、SB3、SB4、SB15分别为启动按钮、停止按钮、手动操作按钮、连续操作按钮、回原点按钮，占用5个输入点；SB5～SBl4分别为手爪的抓紧和放松、手部的单步上升和下降、小臂的单步上升和下降、大臂的单步上升和下降、腰部的单步左转和右转，占用10个输入点；SBl6为光电工件检测开关．占1个输人点。
手动操作主要用于维修，可以用按钮对机械手的每一个动作进行单独控制。
按下回原点按钮SBl5时，机械手自动回到原点。
其中，Yv1-Yv8分别为手部电机的上转和下转、小臂电机的上转和下转、大臂电机的上转和下转、腰部电机的左转和右转：Yv9为手爪夹紧；EL为原点指示灯。在选择PLC的型式时，输入点和输出点的多少应考虑工艺过程和控制要求变动对输入点的需要．应该考虑15％的余量。本机械手控制设备选择的cPu为sIMATIcS7—200 cPu226．该CPU集成有24个输入和16个输出点,可以满足本设备的要求。
本机械手控制系统采用西门子S7—200CN数字量输入模块EM22l，8点输人，分别为小臂单步上升、小臂单步下降、大臂单步上升、大臂单步下降、腰部单步左转、腰部单步右转、回原点、工件位置检测。
4.2上住机组态设计
本系统的上位机采用组态王Kingview进行设计，kingview6.53是一款全中文的工业控制用组态软件，可以运行于windows平台。组态王Kingview6.53具有开放性好、适应性强、易于扩展、经济、开发周期短等很多优点，尤其是它在自动控制系统中能够发挥组态开发、上传下达的重要作用。组态王软件包由工程管理器、工程浏览器、画面运行系统、信息窗口这四个部分组成。其中工程浏览器和画面运行系统是两个相互独立的windows应用程序，都可以单独使用。
通讯设备的参数设置：在组态王工程浏览器工程目录显示区．通过“设备”大纲项目下的PLC与上位机所连串口(COM)．对其进行参数设置。PLC的通信参数应该与组态王的设置一致，同时，组态王系统的COM1口设置要和PLC的一致。PLC采用默认的通信参数如下：数据位长度为7位，波特率为9600bps，奇偶校验位为偶校验，停止位长度为1位。
设备之间的连接：可以通过PLC与计算机的连接专用通信电缆。将PLC通过编程口与上位计算机的串口(C0M)连接．进行串口通讯。完成通讯参数的设置后，就可以设置组态王和PLC之间的连接。
建立数据库：数据库是联系下位机和上位机的桥梁。选择工程浏览器的左侧大纲项“数据库、数据词典”．在“变量属性”对话框里面可以创建机械手控制系统的各个数据变量。根据机械手的控制要求和组态王画面中的控制要素，可设计组态王工程的变量。部分变量如图3所示。其中X、X1、Y、YI为备用变量，可以在动画连接时补充使用。
这些变量与PLC内部的变量是一一对应的，PLC的输出输入完全由组态王内部的变量代替。这样，PLC的实际输入输出状态就会全部反映在组态王监控界面上了。设计图形界面并建立动画连接：组态画面如图4所示。
图4画面中的动画连接均采用隐含连接方式．也就是当画面中的各个图素隐含连接表达式为真时才将其显示出来，当表达式不成立时则会隐含。
5 结语
本文设计了机械手的基本结构，采用PLC设计了机械手的自动控制装置，上位机由组态王Kingview6．53提供人机界面，上位机和下位机之间通过PPI协议实现通信。经过实验证明，该系统具有操作简单、可靠性高、经济实用等特点。
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