本实用新型属于工业机械设备技术领域，具体涉及一种基于PLC控制的堆垛机械手。
背景技术：
随着计算机和自动化技术的发展，以及大批量生产的迫切需求使得机械设备的自动控制成分显得越来越重要。因此机械手就在这样诞生了。机械手可以在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产场合。其中堆垛机械手被广泛应用于工业生产中。
现代社会要求制造业快速响应市场的各种需求，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一需求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可信赖性和灵活性，可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC作为一种工业控制装置具有特殊的优越性，比如可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、编程方法简单易学等特点，因此被广泛应用于工业领域中。
技术实现要素：
根据以上现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种基于PLC控制的堆垛机械手，通过主从PLC、MG996R舵机和机械手，提供一种可靠性高、抗干扰能力强、功能完善的机械手，具有可以在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产场合。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于PLC控制的堆垛机械手，所述基于PLC控制的堆垛机械手包括上位机、主PLC、从PLC、MG996R舵机和机械手，上位机连接主PLC，主PLC双向连接从PLC，主PLC和从PLC的输出端同时连接MG996R舵机，MG996R舵机安装在机械手的各个关节点上，机械手安装在舵盘上，MG996R舵机的输出轴连接有位置反馈电位器，位置反馈电位器的输出端连接MG996R舵机内的控制电路，MG996R舵机连接机械手，上位机上设有手动控制和自动控制两种工作模式。
上述装置中，所述机械手包括支架、机械臂、MG996R舵机和电源，电源连接MG996R舵机，机械臂连接在支架上，MG996R舵机安装在机械臂的关节点上。所述机械手具有四个自由度，机械手内安装有四个MG996R舵机。所述四个MG996R舵机分别是：1号控制机械手内设有的机械爪的舵机、2号控制机械手设置为取货和堆垛关节的MG996R舵机；3号控制机械手内设置为前后搬运关节的MG996R舵机；4号控制机械手内设置为取货和堆垛时机械爪指向关节的MG996R舵机，2号MG996R舵机和4号MG996R舵机连接在主PLC上，1号MG996R舵机和3号MG996R舵机连接在从PLC上。所述MG996R舵机包括直流电动机、齿轮组、传感器和控制电路，控制电路连接直流电动机，直流电动机连接齿轮组，齿轮组的输出端连接舵盘，位置反馈电位器连接控制电路。
系统由上位机、西门子PLC、MG996R舵机、机械手5个部分构成；基于PLC控制的堆垛机械手增加了系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性，可以在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产场合。控制器采用PLC来实现机械手的堆垛控制系统。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，以及严格的生产工艺制造，而且内部电路采取了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。控制器通过电脑软件编程下载到PLC中的方式对机械手进行控制，产生脉冲信号控制机械手的舵机完成四层堆垛动作。又通过上位机来控制PLC，进行机械手的开启和停止，手动控制和自动控制等工作方式。
本实用新型有益效果是:本实用新型使用PLC来完成堆垛机械手的运行控制，使控制系统的硬件结构大大简化，提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线。MCGS组态环境作为上位机，可以提供较为直观、清晰的堆垛机械手控制界面，使系统的可靠性和灵活性以及工作效率都大大提高。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本实用新型的具体实施方式的基于PLC控制的堆垛机械手的工作原理框图。
图2是本实用新型的具体实施方式的基于PLC控制的堆垛机械手的工作流程示意图。
图3是本实用新型的具体实施方式的主PLC的连接示意图。
图4是本实用新型的具体实施方式的机械手的连接示意图。
图5是本实用新型的具体实施方式的从PLC的连接示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1-5所示，一种基于PLC控制的堆垛机械手，可应用于不同领域的自动化生产线，包括上位机、主PLC、从PLC、MG996R舵机和机械手，上位机连接主PLC，主PLC双向连接从PLC，主PLC和从PLC的输出端同时连接MG996R舵机，MG996R舵机安装在机械手的各个关节点上，机械手安装在舵盘上固定在底座上，MG996R舵机的输出轴连接有位置反馈电位器，位置反馈电位器的输出端连接MG996R舵机内的控制电路，MG996R舵机连接机械手，上位机上设有手动控制和自动控制两种工作模式。
产品有手动控制和自动控制两种控制方式，进行4层堆垛功能，自动控制分为单周期控制和连续控制两种模式。在单周期控制时堆垛机械手只完成一次的堆垛任务即完成一次四层堆垛后自动进入待机状态；在连续控制时堆垛机械手一直处于堆垛状态，循环四层堆垛的动作直到下一个指令到达。使得整个系统灵活多用，增加了系统的可选择性，使系统适用于不同的场合。
其中，机械手是由三部分组成：支架、机械臂、舵机和电源，电源连接舵机，机械臂连接在支架上，舵机连接机械臂，多个机械臂构成机械手，堆垛机械手具有四个自由度，四个自由度的机械手需要4个舵机，四个自由度机械手均使用4个MG996R舵机，对四台舵机进行编号：1号舵机控制机械爪；2号舵机控制取货和堆垛的关节；3号舵机控制前后搬运的关节；4号舵机控制取货和堆垛时机械爪指向的关节，2号和4号连接在主PLC上，1号和3号连接在从PLC上，由主从PLC控制机械手运动，控制多个舵机之间的协调运动。
MG996R舵机包括直流电动机、齿轮组、传感器和控制电路，控制电路连接直流电动机，直流电动机连接齿轮组，齿轮组的输出端连接舵盘，位置反馈电位器连接控制电路。舵盘装在圆盘上，并将其作为整体固定在舵机输出轴上，齿轮组的输出端连接舵盘。通过舵机的内电动机的旋转带动齿轮组，由于齿轮组输出端接有舵盘，为其提供旋转的动力。控制电路接收来自信号线的控制信号来控制电动机的旋转，然后电动机带动齿轮组，减速后传递给输出的舵盘。MG996R舵机的输出轴方向盘和位置反馈电位器相连接，舵盘旋转的同时，带动位置反馈电位器，电位器将会输出一个电压信号传递到控制电路进行反馈，然后控制电路根据所在位置确定电动机旋转的方向和转速，从而达到目标位置后停止。
通过改变PLC输出的PWM脉冲的脉宽值来确定不同脉宽值下舵机的不同角度所对应的位置，然后根据设计要求来确定每个舵机在运行过程中对应的位置，从而确定脉宽值。在四个舵机中要特别注意控制爪子开合的1号舵机。在组装机械手时设定1号舵机时不能超出范围，否则会造成舵机的堵转，造成舵机内部电流急剧增高，最终使得舵机烧坏。由此确定每个舵机，特别是控制机械爪的1号舵机的活动范围以及对应的脉宽值尤为重要。
以1号舵机为例，确定1号舵机开合所对应的脉宽值时，在从站程序PLC中，先将初始数值通过MOV_W传送指令传送到从PLC中，使得从PLC脉冲输出口输出的PWM波的脉宽值为1毫秒。将PWM波的周期值统一，先只将1号舵机与从PLC的输出口相连，观察到当脉宽值为一值时1号舵机驱动机械爪到达的位置正好是张开一个比较大的角度，而且符合系统设计要求，所以该值可以作为控制机械手松开的脉宽值。
其中，PLC采用西门子S7-200系列CPU 226型的PLC，每台只具有两个PWM脉冲输出口，所以要使用两台PLC。两台PLC之间通过编程软件的网络读写向导设置成主从站通信方式，用PROFIBUS网络总线连接器、电缆连接两台PLC内的CPU，用PC/PPI电缆连接电脑和主站的CPU。用指令向导法来完成主从站的设置。指令向导是不常用的编程方法之一，指令向导为三种指令提供向导，分别是网络读写、PID回路和HSC高速计数器，实现两台PLC的通讯正好可以用到指令向导的方法。从PLC具有开始、停止、手动、单周期、连续、向后、向前、上升、取货下降、抓紧、松开和堆垛下降等按钮，主PLC连接机械手的2号轴和4号轴，从PLC连接机械手的1号轴和3号轴。主PLC上设有进行初期调试的拨动开关，后期是通过上位机界面进行控制。
其中，上位机是通过MCGS组态环境生成画面并在电脑上显示来完成的，通过与PLC进行通讯来实现机械手自动、手动的控制切换以及在手动控制时对机械手取货、搬运、堆垛等单个动作的控制。
设定通讯端口参数，是实现PLC和上位机、PLC和机械手通讯的基础设置，通讯端口参数设定的正确与否关乎整个系统是否能正常运行。根据每台PLC自身的特点设定波特率和PLC通讯端口，这里主从PLC的通讯端口不同，但是波特率和两台PLC的两个站地址必须彼此一一对应。这些参数一经设定，进行PLC程序的下载，检验设定是否合理，依情况进行修改。
设定上位机和PLC通讯端口参数，根据PLC的通讯端口参数，在MCGS组态环境中设定通讯参数，保证上位机和PLC之间的正常通讯。设定各个舵机控制信号参数，是为了实现机械手的精确定位、到位停止。各个舵机内部有一个基准电路，它可以产生周期为T的基准信号，另外还有一个比较器，通过将外部输入信号与基准信号相比较，来判断出各个舵机的方向和角度的大小，从而产生电动机的旋转信号。由于脉冲宽度与舵盘位置所成角度成线性关系，根据不同的位置，设定不同的脉冲脉宽参数。无论外界转矩怎么变化，直到给各个舵机提供另外一个不同脉宽的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的与之对应的位置上。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。