1 前言

　　特殊工況環(huán)境(如高溫、腐蝕、輻射、有害氣體等)中，具有遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控功能的機械手不僅可使人脫離惡劣的勞動條件，完成人體不能直接接觸或難以接近的特殊作業(yè)，而且還能長時間地安全工作，提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代機械手基于主從控制方式，其執(zhí)行部分常為電機驅(qū)動，但此類機械手價格較貴，限制了在一些場合的廣泛應(yīng)用。氣動機械手結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染、抗干擾性強。近年來，隨著氣動技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于機械手中。綜合電機驅(qū)動與氣動的優(yōu)勢，本文提出一種四自由度混合驅(qū)動工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)模型及控制系統(tǒng)，采用電機與氣壓驅(qū)動相結(jié)合，利用電機傳動控制精度高的特點實現(xiàn)機械手的準(zhǔn)確定位，利用氣壓驅(qū)動優(yōu)勢實現(xiàn)快速接近及抓取物料的動作；控制系統(tǒng)以S7—200 PLC為底層設(shè)備控制器，上位計算機通過串口與PLC組成監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程分步動作控制和遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制等功能，以滿足特殊環(huán)境下遠(yuǎn)程操控要求。

2 機械手總體設(shè)計

　　2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

　　從功能角度看，機械手由原動機、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾部分組成，在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中，傳動系統(tǒng)通過對原動機的輸出進行運動和動力變換，帶動多個執(zhí)行件動作，以滿足系統(tǒng)要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)主要有工作空間、運動自由度、有效載荷、運動精度等。依據(jù)工作要求，四自由度混合氣動機械手工作空間為球體的一部分，采用極坐標(biāo)形式。除手爪-15°～300開合動作外，需實現(xiàn)機身-90°～90°回轉(zhuǎn)、手臂-45°~10°俯仰、手臂伸縮、手腕-180°~+180°旋轉(zhuǎn)四個自由度，負(fù)載能力2 kg。在機械系統(tǒng)設(shè)計方案可行性分析中，將各模塊功能的擬草求解方案與其他可達(dá)到同樣目標(biāo)的可行性方案進行比較擇優(yōu)，列出其形態(tài)學(xué)矩陣，分析對比各主要傳動方式的優(yōu)缺點及機械手設(shè)計具體要求，最終確定各子功能解法為：機身、手腕旋轉(zhuǎn)(采用蝸輪蝸桿機構(gòu))、手臂伸縮、手指開合(采用氣動裝置)、手臂俯仰(采用螺旋副及連桿機構(gòu))。機械手傳動原理如圖1所示。

圖1 四自由度混合型氣動機械手傳動原理

　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計中，對機械手的位置、速度等進行控制，由于機械手的結(jié)構(gòu)是一個空間開鏈機構(gòu)，各關(guān)節(jié)動作獨立，為實現(xiàn)末端點的運動軌跡，需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動作。混合型氣動機械手采用S7-200 PLC(CPU226CN)進行程序控制，對相鄰點之間的運動軌跡不作具體規(guī)定，僅控制離散點上工業(yè)機械手指的位姿，要求盡快而無超調(diào)地實現(xiàn)相鄰點間的運動?？刂乒δ苣K中，電磁閥、直流電機、觸動開關(guān)控制功能均由$7-200PLC(CPU226 CN)實現(xiàn)，手臂伸縮長度、手臂俯仰程度、手指開合角度控制均由觸動開關(guān)控制；機身、手腕旋轉(zhuǎn)角度通過對直流電機的位置控制實現(xiàn)，手臂伸縮均勻移動功能由流量控制閥通過控制氣流量實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置三種控制方式：遠(yuǎn)程分步動作控制、遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制和工業(yè)現(xiàn)場控制，前兩種控制方式在上位機監(jiān)控界面上進行操作控制，后一種控制方式在工業(yè)現(xiàn)場通過設(shè)備控制面板按鈕實現(xiàn)。

1 前言

　　特殊工況環(huán)境(如高溫、腐蝕、輻射、有害氣體等)中，具有遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控功能的機械手不僅可使人脫離惡劣的勞動條件，完成人體不能直接接觸或難以接近的特殊作業(yè)，而且還能長時間地安全工作，提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代機械手基于主從控制方式，其執(zhí)行部分常為電機驅(qū)動，但此類機械手價格較貴，限制了在一些場合的廣泛應(yīng)用。氣動機械手結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染、抗干擾性強。近年來，隨著氣動技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于機械手中。綜合電機驅(qū)動與氣動的優(yōu)勢，本文提出一種四自由度混合驅(qū)動工業(yè)機械手結(jié)構(gòu)模型及控制系統(tǒng)，采用電機與氣壓驅(qū)動相結(jié)合，利用電機傳動控制精度高的特點實現(xiàn)機械手的準(zhǔn)確定位，利用氣壓驅(qū)動優(yōu)勢實現(xiàn)快速接近及抓取物料的動作；控制系統(tǒng)以S7—200 PLC為底層設(shè)備控制器，上位計算機通過串口與PLC組成監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程分步動作控制和遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制等功能，以滿足特殊環(huán)境下遠(yuǎn)程操控要求。

2 機械手總體設(shè)計

　　2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

　　從功能角度看，機械手由原動機、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等幾部分組成，在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中，傳動系統(tǒng)通過對原動機的輸出進行運動和動力變換，帶動多個執(zhí)行件動作，以滿足系統(tǒng)要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)主要有工作空間、運動自由度、有效載荷、運動精度等。依據(jù)工作要求，四自由度混合氣動機械手工作空間為球體的一部分，采用極坐標(biāo)形式。除手爪-15°～300開合動作外，需實現(xiàn)機身-90°～90°回轉(zhuǎn)、手臂-45°~10°俯仰、手臂伸縮、手腕-180°~+180°旋轉(zhuǎn)四個自由度，負(fù)載能力2 kg。在機械系統(tǒng)設(shè)計方案可行性分析中，將各模塊功能的擬草求解方案與其他可達(dá)到同樣目標(biāo)的可行性方案進行比較擇優(yōu)，列出其形態(tài)學(xué)矩陣，分析對比各主要傳動方式的優(yōu)缺點及機械手設(shè)計具體要求，最終確定各子功能解法為：機身、手腕旋轉(zhuǎn)(采用蝸輪蝸桿機構(gòu))、手臂伸縮、手指開合(采用氣動裝置)、手臂俯仰(采用螺旋副及連桿機構(gòu))。機械手傳動原理如圖1所示。

圖1 四自由度混合型氣動機械手傳動原理

　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計中，對機械手的位置、速度等進行控制，由于機械手的結(jié)構(gòu)是一個空間開鏈機構(gòu)，各關(guān)節(jié)動作獨立，為實現(xiàn)末端點的運動軌跡，需要多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)動作?；旌闲蜌鈩訖C械手采用S7-200 PLC(CPU226CN)進行程序控制，對相鄰點之間的運動軌跡不作具體規(guī)定，僅控制離散點上工業(yè)機械手指的位姿，要求盡快而無超調(diào)地實現(xiàn)相鄰點間的運動?？刂乒δ苣K中，電磁閥、直流電機、觸動開關(guān)控制功能均由$7-200PLC(CPU226 CN)實現(xiàn)，手臂伸縮長度、手臂俯仰程度、手指開合角度控制均由觸動開關(guān)控制；機身、手腕旋轉(zhuǎn)角度通過對直流電機的位置控制實現(xiàn)，手臂伸縮均勻移動功能由流量控制閥通過控制氣流量實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)置三種控制方式：遠(yuǎn)程分步動作控制、遠(yuǎn)程循環(huán)動作控制和工業(yè)現(xiàn)場控制，前兩種控制方式在上位機監(jiān)控界面上進行操作控制，后一種控制方式在工業(yè)現(xiàn)場通過設(shè)備控制面板按鈕實現(xiàn)。

3 機械手動作PLC控制

　　混合驅(qū)動機械手傳動系統(tǒng)由底座、旋轉(zhuǎn)臺、手臂、手腕和手爪等五部分組成(圖1)，底座旋轉(zhuǎn)部分由直流電機M1經(jīng)減速器驅(qū)動蝸輪蝸桿4、5帶動底座作旋轉(zhuǎn)運動，觸動開關(guān)SQl、SQ2控制機械手的極限旋轉(zhuǎn)角度。手臂俯仰部分由直流電機M2經(jīng)減速器2及齒輪傳動驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，帶動螺母作水平方向移動，螺母通過連桿機構(gòu)帶動手臂俯仰，觸動開關(guān)SQ3、SQ4，通過限定螺母的起始和終止位置，從而限定手臂的最大俯仰角度。手腕旋轉(zhuǎn)部分由直流電機M3經(jīng)減速后驅(qū)動蝸輪蝸桿帶動手爪作360。回轉(zhuǎn)及正反轉(zhuǎn)。直流電機驅(qū)動控制由PLC的輸出端口通過接口電路(圖3)實現(xiàn)。手臂的伸縮由氣缸驅(qū)動完成，氣缸伸縮動作由一個三位五通閥控制，通過控制電磁線圈YAl、YA2完成(圖4)。YAl通電、YA2斷電時，氣缸推桿伸出，機械手臂伸長。當(dāng)YA2通電、YAl斷電汽缸推桿縮回，機械手臂變短。觸動開關(guān)SQ5用于限制手臂的最大伸長量。手爪張合由氣缸驅(qū)動，通過控制三位五通閥中電磁線圈YA3、YA4的通電狀態(tài)實現(xiàn)手爪的張合動作，觸動開關(guān)SQ6用于判斷手爪打開的角度。氣缸動作的快慢對整個機械手的穩(wěn)定性有很大影響，迅速動作時的沖擊力將使整個機械手震動加大，通過調(diào)節(jié)氣體流速和壓強以控制氣缸運動的平穩(wěn)性，本試驗中機械手測試氣壓為0．4 MPa?？刂葡到y(tǒng)PLC接線如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)I／O接線圖

　　為使程序結(jié)構(gòu)簡潔明了，PLC編程中將手動和自動程序分別編成相對獨立子程序模塊，通過調(diào)用指令進行功能選擇，自動／手動切換開關(guān)用于工作方式的選擇。手動操作用于整個運動部分的單獨調(diào)試操作，自動程序用于使機械手按規(guī)定程序循環(huán)完成相應(yīng)動作，其動作流程如圖6。

圖6混合驅(qū)動機械手自動操作流程圖

[page]PLC串口監(jiān)控系統(tǒng)[/page]4 PLC串口監(jiān)控系統(tǒng)

　　4.1監(jiān)控系統(tǒng)組成與工作原理

　　監(jiān)控系統(tǒng)底層設(shè)備控制器為$7-200 PLC，除主單元CPU226CN外，增加了擴展單元EM223CN和模擬量輸入輸出單元EM235CN。基本單元模塊的RS232異步串行通信口，除作編程口編寫PLC程序外，還可與上位機進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)PLC的應(yīng)用程序調(diào)試成功后，該通信口基本處于閑置狀態(tài)?；诖?，本監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中使用該通信口通過PC．PPI編程通信電纜與PC機連接，對PLC進行讀寫操作，以實現(xiàn)和上位機的通信。系統(tǒng)工作時，$7-200 PLC CPU 226CN單元及EM223CN單元接收工業(yè)現(xiàn)場各種傳感器信號，通過主單元的串行口連接到Pc機的串口上，使PC機能接收來自監(jiān)控系統(tǒng)的指令信號。PC機控制信號的輸出則通過串口送到PLC中，PLC程序運行結(jié)果通過驅(qū)動電路控制模型中的直流電機動作。EM235CN單元采集工作現(xiàn)場傳來的壓力傳感器-5V～+5V模擬量電壓信號，PLC通過串口讀出該模擬量值并在計算機上進行圖形顯示與存儲。

　　目前對底層設(shè)備控制器PLC進行監(jiān)控常有組態(tài)軟件、觸摸屏監(jiān)控和第三方軟件編制的監(jiān)控軟件，第三方軟件編制的監(jiān)控軟件靈活性好、系統(tǒng)投資低、能適用于各種系統(tǒng)，混合型氣動機械手監(jiān)控系統(tǒng)即基于VB語言開發(fā)，采用上位機主動的通信方式。PLC內(nèi)部不需編寫專門的通信程序，只把數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中即可，每個數(shù)據(jù)寄存器對應(yīng)著物理通信地址，通信時PC機直接對物理通信地址操作。VB中的MSComm控件串口編程可方便地建立串口連接，實現(xiàn)與其他設(shè)備的串行通訊，發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件舊]。應(yīng)用MSComm控件對PLC進行通信時需先初始化端口，$7-200系列PLC與計算機之間的通信采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率9600bp s，偶校驗，使用和校驗，站號0。初始化后PC與PLC串口按通信協(xié)議開始通信，計算機與PLC兩者之間的信息交換以“幀”為單位進行的。計算機向PLC發(fā)出命令幀，PLC接收到上位機的指令，進行校驗，看其是否正確；若正確，則向上位機傳送數(shù)據(jù)(包含首尾校驗字節(jié))的響應(yīng)幀。

　　4.2 通訊協(xié)議

　　S7—200系列PLC的通訊方式主要有三種：PPI(point-to—point inteffaee)方式、PROFIBUS—DP方式、Freeport(自由口)方式。PPI是一種主．從協(xié)議，因目前尚未公開，現(xiàn)場應(yīng)用中需$7-200與Pc通信時，較多使用自定義的協(xié)議與PC通訊H’5’6|。該方式不僅占用了PLC的硬軟件資源，而且當(dāng)PLC通訊口定義為自由通訊時，編程軟件不能對其進行監(jiān)控，給程序調(diào)試帶來很大麻煩。監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中，首先通過實驗歸納整理獲取了PPI協(xié)議。

PC與PLC采用主從方式通訊，PC按格式發(fā)讀寫指令，PLC作出接收正確的響應(yīng)(返回應(yīng)答數(shù)據(jù)E5H或F9H)，上位機接到此響應(yīng)則發(fā)出確認(rèn)命令(10 025C 5E 16)，PLC再返回給上位機相應(yīng)數(shù)據(jù)。代碼均為十六進制數(shù)。PLC命令格式為：

　　其中：SD為開始符(68H)，LD、LDr為長度(從DA到DU)，DA為目的地址，SA為源地址，F(xiàn)C為功能碼(6CH或者7CH)，DSAP為目的服務(wù)存取點，SSAP為源服務(wù)存取點，DU為數(shù)據(jù)單元，F(xiàn)CS為校驗和，ED為結(jié)束符(16H)。

　　一次讀一個數(shù)據(jù)，讀命令均為33個字節(jié)。0—21字節(jié)相同，從22字節(jié)開始，各字節(jié)功能為：

　　其中Byte 22代表讀取數(shù)據(jù)的長度，01為1bit，02為Byte，04為1Word，06為Double Word；Byte 23、24、25為讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)，Byte23和Byte25固定為0，Byte24配合Byte22來決定讀取數(shù)據(jù)范圍；Byte 26為存儲器類型，01代表V存儲器，00代表其他；Byte 27為存儲器區(qū)，其含義為：

　　當(dāng)一次讀多個數(shù)據(jù)時，前21 Byte與一次讀一個數(shù)據(jù)相同，長度LD、LDr、Byte 14和Bytel8不同；寫命令時0—21字節(jié)相同，從22字節(jié)開始功能如下：

　　其中寫入數(shù)據(jù)的長度、存儲器類型、存儲器偏移量與讀命令相同，T，C等不能用命令寫入。寫入位數(shù)據(jù)時Byte 32為03，其它為04，寫人數(shù)據(jù)的位數(shù)為1Bit、1Byte、1Word、Double Word時，Byte 34分別為01H、08H、10H、20H。

　　4.3 串口監(jiān)控

　　為實現(xiàn)對機械手的各項現(xiàn)場控制要求，監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中設(shè)計了串口選擇、點動調(diào)整、自動控制、PLCI／O監(jiān)視、機械手當(dāng)前運動狀態(tài)與極限位置監(jiān)視、同步FLASH動畫顯示機械手動作、傳感器數(shù)據(jù)實時顯示與存儲等功能。監(jiān)控系統(tǒng)工作流程和監(jiān)控界面如圖7。系統(tǒng)工作時，PC機控制端先給PLC控制系統(tǒng)發(fā)送“開始指令”和有關(guān)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，PLC接收到后開始工作并把處理后的數(shù)據(jù)通過RS232口傳到Pc機。當(dāng)PC機經(jīng)串口對機械手當(dāng)前運行狀態(tài)進行監(jiān)視時，系統(tǒng)間隔性地向PLC發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，PC機收到數(shù)據(jù)后對其進行分析提取，然后根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷。本監(jiān)控系統(tǒng)通過發(fā)送讀取PLC中IB、QB，VW三塊不通區(qū)域數(shù)據(jù)的命令代碼，實現(xiàn)對PLC的I／O口、機械手行程開關(guān)、傳感器的模擬量輸入信號(-5~+5V模擬電壓信號)的監(jiān)視。當(dāng)PC機經(jīng)串口控制PLC時，在PLC程序的每個硬件控制按鈕輸入點上并聯(lián)一個中間寄存器，上位機通過串口向PLC發(fā)送寫命令指令，將中間寄存器置ON，以間接完成對PLC的控制，從而使VB程序與PLC程序相互結(jié)合。

圖7監(jiān)控系統(tǒng)工作流程與界面

5 結(jié)論

　　自動化、工業(yè)化進程中，特殊背景環(huán)境中使用機械手已成為一種必然的趨勢，具有遠(yuǎn)程控制功能的機械手則可增加系統(tǒng)的安全性，大大節(jié)約損耗，提高效率。電機與氣壓驅(qū)動相結(jié)合的機械手不僅具有電機傳動控制精度高、易準(zhǔn)確定位及控制的特點，而且還綜合了氣壓驅(qū)動的優(yōu)勢，使機械手便于實現(xiàn)快速接近及抓取物料的動作。以設(shè)備控制器為終端、PC機為控制端的主從式計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，以一臺上位計算機為主站，以PLC為從站、通過串口基于PPI主從協(xié)議方式構(gòu)建的通信系統(tǒng)可穩(wěn)定地實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、實時數(shù)據(jù)分析、顯示、存儲及機械手動作實時動畫模擬，滿足特殊環(huán)境下遠(yuǎn)程操控要求。