组态设计主体

第1页共16页第1章绪论1.1本课题研究的意义组态是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置、自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。这是一个通过专用软件定义系统的过程。组态软件能利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作构成系统。组态软件具有用户可订制的功能，能开发可编程控制器的控制对象；还具有强大的通讯功能，可以通过RS232接口和可编程控制器之间进行通讯，并监控可编程控制器的所有存储器、控制器及IO接口的状态，以变量值形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。正如文献所述：组态软件能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和间接的使用方法，具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样和运行可靠的特点。本课题对机械手的研究是在工业机械手的基础上，加上MCGS软件对其进行监控，使其在作业时更加人性化、经济化、智能化、现代化。1.2本课题研究的背景自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化、智能化以及社会信息化带来深远的影响，它带动着整个社会生产、生活方式的发展与变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。所以说，监控软件的发展前景还是很广大的。我们要致力于此领域的不断研究，尽快地使我国的监控组态软件与世界的高科技接轨，从而促进我们国民经济的更好，更快发展。1.3本课题研究的内容吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第2页共16页本问设计的机械手主要内容就是设计出一款利用MCGS工程组态软件使静止的机械手动态化,特别是通过编写脚本程序实现了对机械手的定时控制,建立了实时监控系统,使机械手在利用MCGS软件对机械手的作业动作状态实施监视与控制时，能方便地获取和存储机械手模型位置和状态信息，使机械手在工业中发挥更加有效的作用,大大提高工作者的工作效率，而且在增加效率的同时也大大减少了人力资源和人员伤亡，使企业的效益大大的增加，这样的机械手，将会更加经济、快捷和实用。从本质上提高工业的生产效率，使其创造出更大的产值。1.4组态王软件简介本系统采集控制软件选用中国本土软件厂商北京亚控科技发展有限公司生产的，国内最早的商用组态软件“组态王”。截止到2009年底，“组态王”已在国内装机量有10万套，成功地应用于我国工业领域的各行各业，例如石油、化工、电力、冶金、造纸、橡胶、环保、机械制造等等，在中国使用的监控软件中，组态王拥有国内最多的用户。像国外众多的软件一样，组态王软件也经过了一个发展例程：1995年组态王V1.0，1996年组态王V1.21997年组态王V1.51，1998年组态王V2.0，1999年组态王V5.1，2000年组态王V5.1forInternet，2001年组态王V6.0、组态王电力专业版6.0，2002年组态王V6.02，2003年组态王V6.5，2005年组态王V6.51，2006年组态王V6.52，2007年组态王V6.53。第3页共16页第2章机械手工作原理2.1机械手构成机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。2.2机械手介绍机械手是一种能模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。可编程控制器是以微处理技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器。它在工业现场中对机械手能起到有效而灵活的控制。可编程控制器和监控系统的通讯，往往需要采用高级语言编程实现，对用户有着很高的要求。这需要用户必须熟悉互联的可编程控制器及其网络采用的通讯协议，严格按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序。然而，用户希望监控系统具有界面简单、便于操作、实时性好、开发周期短和可移植性强等特点。组态技术在数据处理、网络通讯和图形界面等方面给监控系统提供了有力的支持。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第4页共16页类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。2.3机械手控制要求分析分析机械手控制系统的控制要求。机械手具有启动、停止、移动、抓、放等功能。机械手操作人员可以通过启动、停止按钮来控制机械手的启动和停止。移动和抓、放功能通过内在程序自动完成。机械手的动作有如下过程：（1）当按钮启停调整为开始时，机械手开始动作。（2）机械手下放，（包括伸缩杆、抓）。（3）机械手抓物体。（4）机械手与物体一起上台，（包括伸缩杆、抓、物体）。（5）机械手与与物体一起平移，（包括伸缩杆、抓、物体）。（6）机械手与物下放，（包括伸缩杆、抓、物体）。（7）机械手上并回到原点。2.4工作原理及流程机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。机械手流程框图，如图2-1所示第5页共16页时间5且10且50且55且60？机械手水平左移手动启动结束开始手动关闭？若时间80复位图2-1机械手流程框图吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第6页共16页机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。第7页共16页第3章基于组态机械手系统设计3.1组态在机械手中的应用组态软件又称上位机管理软件，广泛应用于工业领域，它提供了灵活的组态工具，人机交互界面好，能充分实现工业各领域的管理控制、数据采集、连续控制及统计过程控制。本次设计充分运用组态王的仿真功能实现人机的交流，以达到对机械手的控制。3.2机械手的组态画面设计3.2.1建立组态工程运行组态环境，在“组态王”工程管理器(ProjManager)选择选单“文件新建工程”或单击“新建”按钮。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮后在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。3.2.2定义数据变量数据库是”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，创建机械手各个变量数据，数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。数据对象有IO开关型、IO数值型、IO字符型、内存开关型等8种类型。不同类型的数据对象，属性不同，用途也不同。设计中的数据变量：开关（内存整数）、时间（内存整数）、垂直移动（内存整数）、水平移动（内存整数）、夹起（内存离散）、物块（内存整数）、物块水平（内存整数）、吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第8页共16页传送带（内存整数）、上（内存离散）、下（内存离散）、左（内存离散）、右（内存离散）、电机（内存离散）。变量的设置如图3-1图3-1变量设置在基本属性页中输入变量名为“开关”，变量类型设置为“内存离散”，再点击确定按钮即完成第一个变量的定义。同理，还需要定义“上行下行”、“左行右行”、“物块的上行下行”，变量类型为“内存实数”等等。所有变量如图3-2：第9页共16页图3-2变量设置3.2.3系统界面设计在组态王平台上建立“机械手控制系统”窗口并设置好窗口属性。通过绘图工具箱中的工具，绘制出组建系统所需的各个元件，调用系统控件制作控制按钮，利用文字标签对相应元件进行注释。最后生成的整体效果图如图3-3所示：图3-3整体效果图3.2.4机械手的工作过程按下开始按钮装置开始工作，机械手首先做下降运动，待下降到位后，机械手张开手指抓取物品(抓紧物品时间由定时器确定)；然后机械手上升到最上端(由上限位开关确定)，再向右运动；到达右端后，机械手开始下降，下降到位后机械手松开，放下物品；再将机械手上升，如此循环提取物品。从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底碰到下限位开关，下降电磁阀断点，机械手下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第10页共16页紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断点，机械手上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断点，机械手右移停止若此时工作台上无工件，则光电开关接通，同时下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下限位电磁阀断点，机械手停止下降；同时夹紧电磁阀断点，机械手放松；放松后，上升电磁阀接通，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断点，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移，左移到原点时，碰到左限位开关。左移电磁阀断点，左移停止。此时，机械手经过8步动作完成一个周期。如图3-3机械手动作分析图。图3-3机械手动作分析图3.2.5控制系统程序的编程单击“变量【域】”按钮,弹出变量选择对话框，选择本站点开关变量，再按“确定”按钮，自动输入“命令语言编辑器”区，在变量后输入“=1”即可，同理实现“停止”变量的等等。程序如下：if(本站点启动=1)第11页共16页本站点时间=本站点时间+1;if(本站点时间5&本站点时间10&本站点时间50&本站点时间55&本站点时间60)本站点电机=本站点电机+1;本站点水平移动1=本站点水平移动1+10;本站点旋转1=本站点旋转1+10;本站点水平移动=本站点水平移动-10;本站点向上灯亮=0;本站点向左灯亮=1;if(本站点时间100)本站点水平移动1=0;本站点时间=0;本站点向左灯亮=0;else本站点垂直移动=0;本站点垂直移动1=0;本站点启动=0;本站点时间=0;本站点水平移动=0;本站点水平移动1=0;本站点向上灯亮=0;本站点向下灯亮=0;本站点向左灯亮=0;本站点向右灯亮=0;本站点水平移动2=0;本站点左夹=0;本站点右夹=0;应用程序命令语言图3-4如下：吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第12页共16页图3-4应用程序命令语言3.2.6系统的运行于调试机械手控制系统的界面设计、关联变量和程序编制完成后，就程序进行调试，最后完成的系统运行效果图如下图3-5、3-6。图3-5系统运行效果图第13页共16页图3-6系统运行效果图3.2.7动画连接由图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。组态王实现图形动画设计的主要方法是将用户窗1：3中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。机械手水平移动与垂直移动的参数如下图3-7所示。图3-7机械手水平移动与垂直移动的参数吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系课程设计第14页共16页总结课程设计主要内容：熟悉所用组态软件的操作、查看有关参考书籍、查阅相关文献资料、独立设计基于组态软件的机械手的控制方案、根据实际系统的要求，进行简单的画面设计与编辑，简单控制程序的编写，设定动画连接等功能、进行程序的运行，调试与改进。设计主要任务：了解机械手的控制要求、确定系统的控制方案、利用组态软件编制监控系统图形界面、建立实时数据库、画面的图形对象与数据库的数据变量之间的关系、编制程序实现对机械手以及物品的控制和监视。本次课程设计使我们加深了对组态软件的了解，熟悉组态软件对机械手控制系统的设计、画面的设计、参数变量的设定、程序的编制，运行，调试与改进、机械手控制系统的动画连接。本次课程设计的主要目的是:熟悉并熟练掌握组态王软件的功