179 关节旋转式机械手控制系统与MCGS仿真
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关节旋转式机械手控制系统与MCGS仿真
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179 关节旋转式机械手控制系统与MCGS仿真,179,关节旋转式机械手控制系统与MCGS仿真,关节,旋转,机械手,控制系统,MCGS,仿真
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I关节旋转式机械手控制系统与关节旋转式机械手控制系统与 MCGSMCGS 仿真仿真目录上的页码在老师最后修改后添加目录上的页码在老师最后修改后添加II摘摘 要要在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及 PLC 研究 he 发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计，还研究了 MCGS 在机械手控制系统中的应用。利用组态软件 MCGS 设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。关键词：机械手；PLC；MCGSIIIAbstractAbstractIn industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved.In the following essay, situations of manipulator research at home and abroad are introduced, also including the research and development trend of PLC control system. Meanwhile, it describes the working principle of manipulator control system and action process. What is more, control system of manipulator model basing on PLC is designed, and also studies the MCGSs application in manipulator control system. And I design manipulator model control system monitoring by MCGS, which provides intuitive, clear and accurate interface on the running state for manipulators. Therefore, it opens up possibility for fault diagnosis and services, which makes further improvements on the efficiency of the system eventually.Keywords: Manipulator; PLC; MCGSIV目 录第一章 引言 .1.1 课题研究的目的及意义 .1.2 国内外机械手研究概况 .第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介 .2.1 机械手控制方式的选择 .2.1.1 控制方式的分类 .2.1.2 PLC 与工业控制计算机和集散控制系统的比较.2.1.3 机械手控制方式的选择 .2.2 可编程序控制器简介 .2.2.1 PLC 的结构.2.2.2 PLC 的特点.2.2.3 PLC 的主要功能.2.2.4 PLC 的经济分析.2.2.5 PLC 发展状况及趋势.第三章 机械手自动控制系统的设计 .3.1 PLC 控制系统设计原则与内容.3.2 PLC 的选型.3.2.1 PLC 性能与任务相适应.3.2.2 PLC 处理速度要求.3.2.3 PLC 应用系统结构的要求.3.3 传感器 .3.3.1 行程开关 .3.3.2 压力传感器 .3.4 分检系统结构 .3.5 分检系统工作原理 .3.6 PLC 程序设计.V3.6.1 PLC 的 I/O 分配.3.6.2 PLC 编程指令的选择.3.6.3 PLC 程序的设计.3.6.4 PLC 硬件接线图.第四章 MCGS 在机械手控制中的应用.4.1 MCGS 的概述.4.1.1 MCGS 的简介.4.1.2 MCGS 的构成.4.1.3 MCGS 主要特性和功能.4.1.4 MCGS 的编程语言.4.1.5 MCGS 的数据结构.4.1.6 MCGS 的作用.4.2 工程的建立与变量的定义 .4.2.1 工程的建立 .4.2.2 变量的分配 .4.2.3 变量定义的步骤 .4.2.4 设备与变量连接 .4.3 工程画面的建立 .4.3.1 封面窗口及监控画面的制作 .4.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写 .4.4 动画的连接 .4.4.1 指示灯的动画连接 .4.4.2 机械手的动画连接 .4.5 组态运行 .第五章 结 论 .致 谢 .参考文献 .附录 A 英文原文.附录 B 汉语翻译.附录 C 系统流程图.VI附录 D 系统顺序功能图.附录 E 梯形图.附录 F 硬件接线图.1第一章第一章 引言引言1.11.1 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC 在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一1。由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用 PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用 PLC 来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过 PLC 来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习 PLC 的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。MCGS 是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域中有着广泛的应用2。本设计通过 MCGS 组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。1.21.2 国内外机械手研究概况国内外机械手研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在2已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能3。目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统(如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等)、机械手化机器、智能机械手(不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等)。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队45。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手(水下、爬壁、管道、遥控等机械手)基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础6。3第二章第二章 机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介2.12.1 机械手控制方式的选择机械手控制方式的选择2.1.12.1.1 控制方式的分类控制方式的分类传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：(1)仅适合于简单的逻辑控制；(2)仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；(3)没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：(1)硬件上至少有一个微处理器；(2)通过软件实现控制思想。目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：(1)可编程序逻辑控制器(PLC)；(2)工业控制计算机(IPC)；(3)集散控制系统(DCS)。2.1.2 PLC 与工业控制计算机和集散控制系统的比较1、各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC 是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和 PID 调节等功能模块；4运算速度提高，CPU 的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被夹收到 PLC 系统中。PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。2、相同点在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和 I/O 模件组成。编程方面也有很多相同点。3、不同点由于 PLC 和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。PLC 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。特别需要提出的是，PLC 与 STD 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于 STD 工控机，但是从开关量控制而言，PLC 的性能优于 STD 工控机。总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品7。2.1.32.1.3 机械手控制方式的选择机械手控制方式的选择PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC 厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。PLC 自问世以来，经过 20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。5PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC 的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 PLC 具有很多的优点。机械手控制系统若采用 PLC 控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC 所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用 PLC 控制技术，可以大大提高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，提高了控制系统的可靠性。同时，用 PLC 控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。综上所述，机械手的控制方式选择 PLC 控制。2.22.2 可编程序控制器简介可编程序控制器简介可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC 或 PC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和 CAD/CAM)之一。PLC 控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC 装置已成为自动化系统的基本装置8。2.2.12.2.1 PLCPLC 的结构的结构PLC 结构可分为整体式、模块式和叠装式。(1)整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 部件都集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型 PLC 采用这种结构。例如，美国 GE 公司的 GE-I/J 系列 PLC 为整体式结构。(2)模块式 PLC 模块式结构是将 PLC 各部分分成若干个单独的模块，6如电源模块、CPU 模块、I/O 模块和各种功能模块。模块式 PLC 由机架和各种模块组成。模块式 PLC 配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。例如，西门子公司的 S7-300 PLC、S7-400 PLC 采用模块式结构形式。(3)叠装式 PLC 将整体式和模块式结合起来，称为叠装式 PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。例如，西门子公司的 S7-200 PLC 就是叠装式结构形式。PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC 的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O 扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成9。其结构简图如下：图 2.1 PLC 硬件结构图PLC 的软件系统是指 PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个 PLC 成品必须包括的部分，由 PLC 厂家提供，用于控制 PLC 本身的运行，系统程序固化在 EPROM 中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的。输出部件外设I/O接口存储器EPROM微处理器运算器控制器电源输入部件I/O扩展接口I/O扩展单元受控元件输入信号外部设备72.2.22.2.2 PLCPLC 的特点的特点可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为 PLC 具有以下优点：1、灵活、通用、功能齐全在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。2、可靠性高、抗干扰能力强对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代 PLC 采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证 PLC 能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。3、操作方便、维修容易PLC 采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。PLC 还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表达方式编程。梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换，使用极其方便。8对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。这是 PLC 能够迅速普及和推广的重要原因之一。4、功能强现代 PLC 不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成 A/D、D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化由于 PLC 采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且 PLC 是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备10。同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。6、网络通信PLC 提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。2.2.32.2.3 PLCPLC 的主要功能的主要功能PLC 是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。PLC 系统主要有以下功能：(1)多种控制功能；(2)数据采集、存储与处理功能；(3)通信联网功能；(4)输入、输出接口调理功能；(5)人机界面功能；(6)编程、调试功能。9PLC 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC 还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求11。2.2.42.2.4 PLCPLC 的经济分析的经济分析综上所述，在各种环境中，使用 PLC 控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。对 PLC 的经济分析，应从以下几方面考虑：1、从影响成本的各个因素综合考虑对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：(1)继电器控制；(2)半导体器件控制；(3)PLC 控制。价格仅是选择 PLC 品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。2、从设计、生产周期长短考虑不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而 PLC 则完全可以实现。这是因为使用PLC 不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。据调查，目前我国 70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用 PLC10控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在 EPROM 模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。2.2.52.2.5 PLCPLC 发展状况及趋势发展状况及趋势PLC 的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了 PLC 的发展，而 PLC 的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。PLC 的发展速度十分惊人，目前用可编程序控制器世纪自动控制系统已成为世界潮流。现代 PLC 的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展，以适应不同场合和不同要求的控制需要。1、大型网络化为适应大规模控制系统的需求，大型 PLC 向着大存储容量、高速度、高性能、增加 I/O 点数的方向发展。主要表现在以下几个方面：(1)增强网络通信功能PLC 将具有计算机集散控制系统(DCS)的功能。网络化和强化通信能力是 PLC 发展的一个重要趋势。PLC 构成的网络可将多个 PLC、I/O 框架相连，同时可与工业计算机、以太网、MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。(2)发展智能模块为了满足各种特殊功能的需要，各种智能模块层出不穷。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的 CPU 与 PLC 的 CPU 并行工作，占用主机的 CPU 时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度和完成特殊的控制要求。(3)外部故障诊断功能PLC 广泛应用了自诊断技术、冗余技术、容错技术，不断提高 PLC 的11可靠性。同时，PLC 还不断提高外部诊断功能。(4)实现软件、硬件标准化长期以来 PLC 的研制走的是专门化道路，使其在获得成功的同时也带来许多的不便。PLC 的硬件和软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面各厂家的 CPU 和 I/O 模块互不通用，通信网络和通信协议往往也是专用的。在软件方面，各厂家的 PLC 的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，甚至差异很大，因而各厂家的 PLC 互不兼容。因此制定 PLC 的国际标准已是今后发展的趋势。2、小型化发展小型 PLC，其目的是为了占领广大的、分散的、中小型工业控制场合，使 PLC 不仅成为继电气控制柜的替代物，而且超过继电器控制系统的功能。小型、超小型、微小型 PLC 不仅便于机电一体化，也是实现家庭自动化的理想控制器。小型 PLC 向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。随着 PLC 技术的提高，目前已将原有大、中型 PLC 的功能移植到小型机上，使之具有灵活的组态特性13。12第三章第三章 机械手自动控制系统的设计机械手自动控制系统的设计3.13.1 PLCPLC 控制系统设计原则与内容控制系统设计原则与内容PLC 的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用 PLC 后，将很容易实现。在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。对一些过去较为繁琐的控制可利用 PLC 的特点加以简化，通过内部程序简化外部接线及操作方式。为保证控制系统的安全、可靠，同时采取“软件兼施”的办法。考虑到生产的发展和工艺的改进，选择 PLC 容量及 I/O 点数时，应适当留有裕量。一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题 ，如果事先留有裕量，则 PLC 系统极易修改。同时对日后系统工艺的变更提供方便。当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品质量和安全为目标，则应将系统可靠性作为设计的重点，设计考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。3.23.2 PLCPLC 的选型的选型以满足控制要求为前提，PLC 选型时应选择最佳的性能与价格比，具体考虑以下几点。3.2.13.2.1 PLCPLC 性能与任务相适应性能与任务相适应对于开关量控制的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC(如西门子公司 S7-200 系列 PLC 或 OMON 公司系列 CPM1A/CPM2A 型 PLC)就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。13对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D 转换的模拟量输入模块和带有 D/A 转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型 PLC，如西门子公司的 S7-300 系列 PLC 或 OMRON 公司的 COM/CQM1H 型 PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID 调节、通信联信网 4 等，可选用中大型 PLC(如西门子公司的 S7-400 系列 PLC 或 OMRON 公司的 C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1 等 PLC)。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择 PLC，一组成一个分布式的控制系统。3.2.23.2.2 PLCPLC 处理速度要求处理速度要求PLC 工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在 12 个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。例如，PLC 的 I/O 点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。3.2.33.2.3 PLCPLC 应用系统结构的要求应用系统结构的要求上一章已经知道 PLC 的结构分为整体式、模块式和叠装式三种。整体式结构把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式 PLC 的功能扩展，I/O 点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。叠装式将整体式和模块式结合起来。在使用时，应按实际具体情况进行选择。结合以上几点，在设计 PLC 机械手在大小球分选系统中用的 PLC 的选型为西门子 S7-200 系列的可编程控制器。143.33.3 传感器传感器本设计中使用的传感器有控制机械手行程位置的行程开关和用于检测大小球的压力传感器。3.3.13.3.1 行程开关行程开关行程开关又称限位开关，可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体(如行车、门等，简称动物)上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。行程开关主要用于将机械位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械动作或用作程序控制。行程开关分为直动式、滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头；滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。本设计选用 LX19-K 行程开关。LX19 系列行程开关，适用于交流50Hz，电压至 380V，直流电压至 220V，约定发热电流至 5A 的控制电路中，动作行程 1.53.5 mm，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。3.3.23.3.2 压力传感器压力传感器力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。在选择压力传感器时应遵循以下几个原则。1、根据测量对象与测量环境确定传感器类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的15引出方法，有线或是非接触测量。2、灵敏度选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。4、线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。16因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。结合以上几点，选择 US300 高性能不锈钢压力传感器，其具有高精度(0.1%Span、响应频率最大值 1KHz)、工作温度范围宽(-40125)、结构小巧、超稳定(长期稳定性 1 年)等特点，被广泛应用于高级 HVAC 控制、空压机、过程控制、水压监测等。3.43.4 分检系统结构分检系统结构如图 3.1 所示，分检大小球控制系统主要由各种限位开关、捡球装置、横梁、大小球缸组成，其中捡球装置内部有两台电动机，一台控制捡球平板装置上升和下降，一台控制捡球装置在横梁上左行和右行。图 3.1 关节式机械手分检球装置结构图173.53.5 关节式机械手分检系统工作原理分检系统工作原理当分检球装置停在左限位处时，按下启动按钮，机械手下降捡球平板，当下降的捡球平板碰到下限位开关时，停止下降，捡球装置给平板处的电磁线圈(KM)通电，夹住钢球，此时压力传感器(US300)通过夹球压力的输出判断是夹住的大球还是小球，如果压力感应器的输出断开，说明夹住的是大球，而如是闭合的，则说明夹住的是小球。当夹住钢球后，捡球平板上升，碰到上限位开关后开始右行。右侧有两个限位开关，分别为大球位右限位开关和小球位右限位开关。在右行的过程中，如果夹住的是大球，则要到碰到大球右限位开关才停止右行，下降到下限位开关位置，电磁线圈断电释放钢球，然后上升到上限位开关位置停止上升，开始左行，碰到左限位开关停止左行；而如果夹住的是小球，则在右行的时候碰到小球右限位开关停止右行，下降到下限位开关时停止下行，电磁线圈断电释放钢球，然后上升到上限位开关停止上升，开始左行，到左限位开关停止左行，重新开始新一轮捡球过程，如此反复执行。(夹球时间为 2s，释放球时间也为 2s)3.63.6 PLCPLC 程序设计程序设计3.6.13.6.1 PLCPLC 的的 I/OI/O 分配分配根据机械手的动作要求及所选的 PLC 型号，输入、输出点分配如表3.1 所示。表 3.1 PLC 的 I/O 分配表名称输入名称输出启动按钮 SB1I0.0原位指示 HQ0.0停止按钮 SB2I0.1夹紧开关 KQ0.1上限位开关 SQ1I0.2下行接触器 LM1Q0.2下限位开关 SQ2I0.3上行接触器 LM2Q0.3183.6.23.6.2 PLCPLC 编程指令的选择编程指令的选择方案一：使用基本逻辑指令编程方式。用置位和复位指令，对机械手的动作进行置位和复位，编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但程序代码较长，动作间易起冲突。方案二：采用以转换为中心的编程方式。采用顺序控制继电器(SCR)指令编程，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，控制程序清晰、明了，统一性强，尤其适合初学者使用。方案三：采用移位寄存器指令的编程方式。移位寄存器(SHRB)指令把输入端(DATA)的数值移入移位寄存器，并进行移位。移位寄存器指令可用来进行顺序控制、物流及数据流控制。经实践，本次设计采用的编程方式选用方案二，采用顺序控制继电器(SCR)指令编程。3.6.33.6.3 PLCPLC 程序的设计程序的设计程序流程图见附录 C、顺序功能图见附录 D、梯形图见附录 E。3.6.43.6.4 PLCPLC 硬件接线图硬件接线图PLC 硬件接线图见附录 F左限位开关 SQ3I0.4右行接触器 LM3Q0.4小球右限位开关SQ4I0.5左行接触器 LM4Q0.5大球右限位开关SQ5I0/6大小球检测 SQI0.719第四章第四章 MCGSMCGS 在机械手控制中的应用在机械手控制中的应用4.14.1 MCGSMCGS 的概述的概述4.1.14.1.1 MCGSMCGS 的简介的简介MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等14。4.1.24.1.2 MCGSMCGS 的构成的构成MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。组态结果数据库完成了 MCGS 系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如图 4.1 所示。20图 4.1 组态环境和运行环境关系图由 MCGS 生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图 4.2 所示。图 4.2 MCGS 用户应用系统结构图4.1.34.1.3 MCGSMCGS 主要特性和功能主要特性和功能(1)简单灵活的可视化操作界面；(2)实时性强、良好的并行处理性能；(3)丰富、生动的多媒体画面；(4)开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。MCGS 系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件(设备构件、动画构件、策略构件)完成了 MCGS 系统三大部分(设备驱动、动画显示和流程控制)的所有工作。除此以外，MCGS 还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用 VB、VC 等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。MCGS 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。组态环境：组态环境：组态生成应用系统运行环境：运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS 工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件21MCGS 设立对象元件库，组态工作简单方便，易于实现对工控系统的分布式控制和管理。4.1.44.1.4 MCGSMCGS 的编程语言的编程语言MCGS 全中文组态软件，采用 C+语言编制，核心为组态结构。构架合理、连接灵活，结构层次清晰，方便用户的定制开发。它是基于WIN95/98/NT 视窗结构，能够快速构造和生成数据管理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面，轻松实现各种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程诊断等功能的先进软件。MCGS 组态软件采用 Basic 的脚本语言编程，具有强大的图形化流程策略组态工具，使编程工作降到最少，令用户爱不释手。MCGS 全中文组态软件能支持目前市场上绝大部分硬件，其网络版更使“决胜千里之外”成为可能。4.1.54.1.5 MCGSMCGS 的数据结构的数据结构MCGS 数据库管理功能强大，分为数据前处理(可以对设备采集进来的数据进行多种数值处理)、数据后处理(可通过各种内部函数、运算符、脚本程序对实时采集的数据进行处理)、实时数据处理(提供数据浏览，各种曲线、报表等功能构件，对存盘数据库的数据进行查询、排序、运算等操作)，同时可以挂接外部数据库，实现 ODBC 接口和 OLE 实时调用，可以和SOL、Server、Oracle、Access 等数据库相连，提供多种数据转换方式，每种方法都可以独立使用或组合使用。数据浏览构件可同时以表格和曲线的形式显示存盘数据库中数据，实时曲线可以动态显示当前的数据，并可以设定上下限值和时间的长短，以便于用户查询，同时提供 EXCEL 报表和 MCGS 自由报表。4.1.64.1.6 MCGSMCGS 的作用的作用MCGS 全中文组态软件是真正的 32 位程序，支持多任务、多线程，提供近百种绘图工具和基本图符。使用 ActiveDLL 把设备驱动挂接在系统之中，支持数据采集板、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备，它支持 ActiveX 控件，包括温控曲线、实时曲线、计划曲线、历史曲线、22XY 曲线、实时报表、历史报表、单行报表、配方管理、数据库管理、数据库浏览统计、多媒体输出等众多构件。MCGS 全中文组态软件可完整实现 ODBC 接口，可与SQLServer、Oraver、Oracle、Access 等主要数据库相连，可实现各种复杂的报表，并以不同方式增加、删除数据库中的记录，支持CAN、PROFIBUS、HART、LONWORKS 等多种现场总线。它还具有强大的网络功能，支持 TCP/IP、MODEM、485/422/232 等多种网络数据传输方案，提供 4 级安全保密机制。工程组态软件 MCGS 的最大优点是组态方便，它融会了中外工控组态软件的众多长处，只要是稍具外语常识，即可以方便组态15。4.24.2 工程的建立与变量的定义工程的建立与变量的定义4.2.1 工程的建立(1)单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程 0.MCG” 。(2)选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。(3)在文件名一栏内输入“机械手控制系统” ，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图 4.3 所示。23图 4.3 MCGS 工作台窗口在 MCGS 中，变量也叫数据对象。实时数据库是 MCGS 工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、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。4.2.24.2.2 变量的分配变量的分配在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要 15 个变量，见表 4.1。机械手动作控制信号本身要求高电平，而开关量输出通道是反相输出，因此上升等几个变量需设计为低电平有效，即送“0”动作。表 4.1 机械手控制系统变量分配表变量名类型初值注释启动开关型0机械手启动控制信号，SB1 输入，241 有效停止开关型0机械手复位控制信号，SB2 输入，1 有效夹紧开关型1机械手动作控制夹球，输出，0 有效放松开关型1机械手动作控制放球，输出，0 有效上升开关型1机械手动作控制上升，输出，0 有效下降开关型1机械手动作控制下降，输出，0 有效左移开关型1机械手动作控制左移，输出，0 有效右移开关型1机械手动作控制右移，输出，0 有效定时器启动开关型0控制定时器的启动，1 启动，0 停止定时器复位开关型0控制定时器复位，1 复位计时时间数值型0代表定时器计时时间时间到开关型0定时器定时时间到为 1，否则为 0工件夹紧标志开关型0夹紧为 1垂直移动量数值型0动画参数25水平移动量数值型0动画参数4.2.34.2.3 变量定义的步骤变量定义的步骤(1)单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图 4.4 所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象添加进去。(2)单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图 4.5 所示。(3)选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。图 4.4 实时数据库窗口26图 4.5 实时数据库窗口(4)将“对象名称”改为：启动；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手启动信号，SB1 输入，1 有效。(5)单击“确定” 。如图 4.6 所示。(6)按照步骤 25，根据上面列表，设置其他数据对象。(7)单击“保存”按钮。27图 4.6 数据对象属性设置窗口4.2.44.2.4 设备与变量连接设备与变量连接(1)在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。(2)点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱” 。(3)单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图 4.7 所示窗口。(4)在可选设备列表中，双击“通用设备” 。(5)双击“模拟数据设备” ，在下方出现模拟设备图标。(6)双击模拟设备图标，将“模拟设备”添加到右侧选定设备列表中。(7)单击确认并保存。(8)在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。设备被添加到设备组态窗口中，如图 4.8 所示。(9)双击“设备 0-模拟设备” ，进入模拟设备属性设置窗口，如图284.9。(10)设置内部属性完成之后单击确认，完成内部属性设置。(11)单击保存，完成设备与变量连接。图 4.7 设备管理窗口29图 4.8 设备组态窗口30图 4.9 设备属性设置窗口4.34.3 工程画面的建立工程画面的建立(1)在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口 0” 、 “窗口1” 。如图 4.10 所示。(2)选中“窗口 0” ，单击“窗口属性” ，进入“用户窗口属性设置” 。31图 4.10 工作台窗口(3)将窗口名称改为：封面窗口；窗口标题改为：封面窗口；窗口位置选中“最大化显示” 、 “固定边” ，窗口背景色选为蓝色，其他不变，单击“确定” 。这时“封面窗口”底色变为蓝色。如图 4.11 所示。图 4.11 用户窗口属性设置(4)选中“窗口 1” ，单击“窗口属性” ，进入“用户窗口属性设置” 。(5)将窗口名称改为：机械手监控画面；窗口标题改为：机械手监控画面。窗口位置选中“最大化显示” ，其它不变，单击“确认” 。(6)在“用户窗口”中，选中“封面窗口” ，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。对“机械手监控画面”进行同样的设置。4.3.14.3.1 封面窗口及监控画面的制作封面窗口及监控画面的制作(1)选中“封面窗口”的窗口标题，单击“动画组态” ，进入动画组态窗口，开始编辑画面。32(2)单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。(3)选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形。(4)在光标闪烁位置输入文字“欢迎进入 MCGS 监控系统” ，按回车键或在窗口的任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。(5)选中文字框，作如下设置。(6)点击“填充色”按钮，设定文字框的背景颜色为：没有填充。(7)点击“线色”按钮，设置文字框的边线颜色为：没有边线。(8)点击“字符字体”按钮，设置文字字体为：行楷；字型为：粗斜体；大小为：48。(9)点击“字符颜色”按钮，将文字颜色设为：“红色” 。单击“保存”， “封面窗口”画面编辑完毕。如图 4.12 所示。图 4.12 封面窗口(10)选中“机械手监控画面”的窗口标题，单击“动画组态” ，进入动画组态窗口，对“机械手监控画面” 进行相同的操作。单击绘图工具33箱中的“插入元件”图标，弹出“对象元件管理”对话框，单击“其他”文件夹，选中“机械手”元件，按“确定”按钮把“机械手”元件添加到动画组态中。 “对象元件管理”如图 4.13 所示。图 4.13 对象原件管理在图 4-12 中，机械手的“封面窗口”中使用到了“进入”和“退出”按钮。 “进入” 按钮是用来进入 MCGS 运行环境中“机械手监控画面”的，“退出”按钮则是用来退出运行环境的。 “机械手监控画面”如图 4.14 所示，设计了 8 个指示灯，代表机械手夹紧、放松、上升、下降、左移、右移等动作。运行时，指示灯随机械手动作变化做相应指示。34图 4.14 机械手监控画面4.3.24.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写运行策略的建立及脚本程序的编写1、运行策略的建立进入“运行策略”窗口中，双击进入“循环策略”窗口，如图 4.15所示。图 4.15 循环策略窗口35右键单击点击工具条，选中 “新增策略行” ，增加一策略行。单击“策略工具箱”中的“脚本程序”将鼠标指针移到策略块图标上，单击鼠标左键，添加脚本程序构件。如图 4.16 所示。图 4.16 循环策略窗口2、机械手自动控制脚本程序的编写双击“脚本程序”工具条进入脚本程序编辑环境，编辑脚本程序脚本程序如下：IF 启动=1 AND 停止=0 THEN 定时器启动=1 定时器复位=0ENDIFIF 启动=0 THEN 定时器启动=0ENDIFIF 停止=1 AND 计时时间=44 THEN 定时器启动=0ENDIFIF 定时器启动=1 THENIF 下移阀=1 THEN36 垂直移动量=垂直移动量+20ENDIFIF 上移阀=1 THEN 垂直移动量=垂直移动量-20ENDIFIF 左移阀=1 THEN 水平移动量=水平移动量-20ENDIFIF 右移阀=1 THEN 水平移动量=水平移动量+20ENDIFIF 计时时间5 THEN 下移阀=1EXITENDIFIF 计时时间7 THEN 夹紧=1 下移阀=0EXITENDIFIF 计时时间12 THEN 夹紧=1 上移阀=1 工件夹紧标志=1EXITENDIFIF 计时时间22 THEN 右移阀=1 上移阀=0EXIT37ENDIFIF 计时时间27 THEN 右移阀=0 下移阀=1EXITENDIFIF 计时时间29 THEN 放松阀=1 下移阀=0 夹紧=0EXITENDIFIF 计时时间34 THEN 放松阀=1 上移阀=1 工件夹紧标志=0EXITENDIFIF 计时时间=44 THEN 定时器复位=1 左移阀=0 放松阀=0EXITENDIFENDIF38IF 定时器启动=0 THEN 上移阀=0 下移阀=0 左移阀=0 右移阀=0ENDIF4.44.4 动画的连接动画的连接画面编辑好以后，需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来，以便运行时，画面上的内容能随变量变化。4.4.14.4.1 指示灯的动画连接指示灯的动画连接(1)双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。(2)单击“动画连接”选项卡，进入该页。(3)单击“组合图符” ，出现“？” 、 “”按钮。(4)单击“”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。单击“属性设置”选项卡，进入该页，如图 4.17 所示。39图 4.17 动画组态属性设置(5)选中“可见度”选项卡，其他项不选。(6)单击“可见度”选项卡进入该页，如图 4.18 所示。(7)在“表达式”一栏，单击“？”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“下移阀” 。(8)在“当表达式非零时”一栏，选择“对应图符可见” 。(9)单击“确认”按钮，退出“可见度”设置页。(10)单击“确认”按钮，退出“单元属性设置”窗口，结束启动指示灯的动画连接。(11)单击“保存”按钮。(12)依次对其他指示灯进行设置，依照步骤(1)(11)。经过这样的连接，当按下机械手或画面上的启动按钮后，不但相应变量的值会改变，相应指示灯也会出现亮灭的改变。40图 4.18 动画组态属性设置4.4.24.4.2 机械手的动画连接机械手的动画连接刚才图 4.14 的画面，只用 8 个指示灯对机械手的工作状态进行了动画显示。如果让机械手在画面上动起来，看起来就更真实、生动了。为体现机械手上升、下降、左移、右移、夹球、放松等动作，图中机械手、球、横滑杆等部分需要随动作进行水平移动，球要做垂直移动。1、垂直移动动画连接(1)在“实时数据库”中增加一个新变量“垂直移动量” ，初值：0，类型：数值型。(2)单击“查看”菜单，选择“状态条” ，在屏幕下方出现状态条。状态条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的坐标和大小。(3)估计总垂直移动距离：在上球底边与下球底边之间画一条直线，根据状态条大小指示可知直线长度即总垂直移动距离。(4)在脚本程序的开始处增加“动画控制”语句：41IF 下移阀=1 THEN 垂直移动量=垂直移动量+20ENDIFIF 上移阀=1 THEN 垂直移动量=垂直移动量-20ENDIF(5)在机械手监控画面中选中并双击上球，弹出“属性设置”窗口。(6)在“位置动画连接”一栏中选中“垂直移动” ，单击“垂直移动”选项卡，进入该页。(7)按照图 4.19 所示在“表达式”一栏填入：垂直移动量。在垂直移动连接栏填入各项参数。单击“确认”按钮，存盘。(8)进入运行环境，单击“启动”按钮，观察动作。图 4.19 动画组态属性设置2、水平移动动画连接(1)水平移动总距离的测量：在球初始位置和移动目的地之间画一条直线，记下状态条大小指示，此参数即为总水平移动距离。(2)在数据库中增加一个变量：水平移动量，数值型，初值为 0。42(3)在脚本程序中增加以下代码：IF 左移阀=1 THEN 水平移动量=水平移动量-20ENDIFIF 右移阀=1 THEN 水平移动量=水平移动量+20ENDIF(5)在机械手监控画面中选中并双击上球，弹出“属性设置”窗口。(6)在“位置动画连接”一栏中选中“水平移动” ，单击“水平移动”选项卡，进入该页。(7)按照图 4.20 所示在“表达式”一栏填入：水平移动量。在水平移动连接栏填入各项参数。单击“确认”按钮，存盘。(8)进入运行环境，单击“启动”按钮，观察动作。图 4.20 动画组态属性设置3、小球移动动画实现(1)在实时数据库中填加一个变量：工件夹紧标志，初值：0，类型：43开关。(2)在脚本程序中加入两条语句：IF 夹紧=1 THEN工件夹紧标志=1 处于夹球状态ENDIFIF 放松=1 THEN工件夹紧标志=0 处于放球状态ENDIF (3)选中上球，在“属性设置”页选择可见度。(4)进入“可见度”页，在表达式一栏填入：工件夹紧标志；当表达式非零时，选择：对应图符可见。意思是：当工件夹紧标志1 时，上球可见；当工件夹紧标志0 时，上球不可见。如图 4.21 所示。(5)选中并双击下小球，将其可见度属性设置为与上球相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符不可见。图 4.21 可见度属性设置44(6)存盘，进入运行环境调试4.54.5 组态运行组态运行保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。然后重新启动 MCGS 组态软件，进入组态工程运行界面。在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。45第五章第五章 结结 论论在本次课题设计中，关节旋转式机械手大小球分检控制系统采用 PLC进行控制，大大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，提高了控制系统的可靠性。同时，使用 PLC 进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。利用组态软件 MCGS 对机械手控制系统进行监控，可以以最少的人员配置来加强对机械手的管理，提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。MCGS 是一种比较新颖的软件，将 MCGS 应用于机械手的自动控制对我来说是一次新的体验。本文中介绍的机械手模型控制系统对于教学有很好的辅助作用。机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的随机系统，本次设计的机械手控制系统与真正的机械手控制系统之间还有很大的差距。由于对组态软件 MCGS 掌握的不熟练，软件的很多优秀的功能没有能应用到监控系统中。另外，本文中的关节旋转式机械手大小球分检控制系统的机械手模型比较简单，还需要不断改进和加强。46致致 谢谢本论文是在指导老师的精心指导和热情的帮助下完成的。老师给我提出了宝贵的意见和建议，老师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦的钻研精神以及平易近人的作风为我树立了榜样，激励着我奋发向上，努力学习。值此论文完成之际，谨向老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！在我做设计的过程中，我的各位老师和同学给我提供了很多帮助和支持，在此表示特别的感谢！此外，非常感谢家人对我的关心和鼓励，在此深深的祝福他们身体健康，生活幸福。在论文完成答辩之际，向本次论文评审和答辩的各位老师，表示最诚挚的谢意！47参考文献参考文献1 廖常初可编程序控制器应用技术第四版重庆：重庆大学出版社，2005，2 许志军工业控制组态软件及应用北京：机械工业出版社2005，3 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981， 4 何衍庆等编著可编程序控制器原理及应用技巧北京：化学工业出版社，20005 陈恳，杨向东，刘莉机器人技术与应用北京：清华大学出版社，2006，6 吴建强可编程控制器原理及其应用哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998，7 林小峰可编程序控制器及应用北京：高等教育出版社，1991，8 吴中俊，黄永红可编程序控制器原理及应用北京：机械工业出版社，2004，9 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981， 10 David G. Johnson. “Programmable Controllers for Factory Automation”. Marcel Decker, Inc. New York and Basel, 1987, 11 王永华现代电气及可编程序控制器技术北京：航空航天大学出版社，2003，12 MITSUBISHI PROGRAMMABLE CONTROLLER MELSEC F1 SERIES Programming Manuol. Mitsubishi Electric COR. 199913 杨长能，张兴毅可编程序控制器基础及应用重庆：重庆大学出版社1992，14 袁秀英组态软件技术北京：电子工业出版社2003，6-37，15 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司MCGS 用户指南4816 西门子公司，SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册，200017 西门子公司，SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册，2002附录 A 英文原文ROBOTRobot is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being. The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development.With the rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage disposal，The lacunaris plastic is an effective basement 49for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator that can automatically fulfill the plastic holding.In recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into linear motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. The step motor can receive digital signal directly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given.The analysis of kinematics and dynamics for object holding 50manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system. Kinematics analysis is the basis of path programming and track control. The positive and reverse analysis of manipulator gives the relationship between manipulator space and drive space in position and speed. The relationship between manipulators tip position and arthrosis angles is concluded by coordinate transform method. The geometry method is used in solving inverse kinematics problem and the result will provide theory evidence for control system. The f0unction of dynamics is to get the relationship between the movement and force and the target is to satisfy the demand of real time control. in this chamfer, Newton-Euripides method is used in analysis dynamic problem of the cleaning robot and the arthrosis force and torque are given which provide the foundation for step motor selecting and structure dynamic optimal ting.Control system is the key and core part of the object holding manipulator system design which will direct effect the reliability and practicality of the robot system in the division of configuration and control function and also will effect or limit the development cost and cycle. With the demand of the PCL-839 card, the PC computer which has a. tight structure and is easy to be extended is used as the principal computer cell and takes the function of system initialization, data operation and dispose, step motor drive and error diagnose and so on. A t the same time, the configuration structure features, task principles and the position function with high precision of the control card PCL-839 are analyzed. Hardware is the matter foundation of the control. System and the software is the spirit of the control system. The target of the software is to combine 51all the parts in optimizing style and to improve the efficiency and reliability of the control system. The software design of the object holding manipulator control system is divided into several blocks such as system initialization block, data process block and error station detect and dispose model and so on. PCL-839 card can solve the communication between the main computer and the control cells and take the measure of reducing the influence of the outer signal to the control system.The start and stop frequency of the step motor is far lower than the maximum running frequency. In order to improve the efficiency of the step motor, the increase and decrease of the speed is must considered when the step motor running in high speed and start or stop with great acceleration. The increase and decrease of the motors speed can be controlled by the pulse frequency sent to the step motor drive with a rational method. This can be implemented either by hardware or by software. A step motor shift control method is proposed, which is simple to calculate, easy to realize and the theory means is straightforward. The motor s acceleration can fit the torque-frequency curve properly with this method. And the amount of calculation load is less than the linear acceleration shift control method and the method which is based on the exponential rule to change speed.The purpose of manipulator control is to maintain the dynamic response of a computer-based manipulator in accordance with some prespecified system performance and desired goals. In general, the dynamic performance of a manipulator directly depends on the efficiency of the control algorithms and the dynamic model of the manipulator. The control problem consists of obtaining dynamic models of the physical robot arm system and 52then specifying corresponding control laws or strategies to achieve the desired system response and performance. Application of dynamic models.Robot arm dynamic deals with the mathematical formulations of the equations of robot arm motion. The dynamic equations of motion of a manipulator are a set of mathematical equations describing the dynamic behavior of the manipulator. Such equations of motion are useful for computer simulation of the robot arm motion, the design of suitable control equations for a robot arm, and the evaluation of the kinematic design and structure of a robot arm. The actual dynamic model of an arm can be obtained from known physical laws such as the laws of newtonian and lagrangian mechanics. This leads to the development of dynamic equations of motion for the various articulated joints of the manipulator in terms of specified geometric and inertial parameters of the links. Conventional approaches like the Lagrange-Euler (L-E) and the Newton-Euler (N-E) formulations can then be applied systematically to develop the actual robot arm motion equations. These motion equations are equivalent to each other in the sense that they describe the dynamic behavior of the same physical robot manipulator. However, the structure of these equations may differ as they are obtained for various reasons and purposes.Some are obtained to achieve fast computation time in evaluating the nominal joint torques in servoing a manipulator, others are obtained to facilitate control analysis and synthesis, and still others are obtained to improve computer simulation of robot motion. The derivation of the dynamic model of manipulator based on the L-E formulation is simple and systematic. Assuming rigid body motion, the resulting equations of motion, excluding 53the dynamics of electronic control devices, backlash, and gear friction, are a set of second-order coupled nonlinear differential equations. The L-E equations of motion provide explicit state equations for robot arm dynamics and can be utilized to analyze and design advanced joint-variable space control strategies. Unfortunately, the computation of the dynamic coefficients requires a fair amount of arithmetic operations. Thus, the L-E equations are very difficult to utilize for real-time control purposes unless they are simplified. As an alternative to deriving more efficient equations of motion, attention was turned to develop efficient algorithms for computing the generalized forces/torques based on the N-E equations of motion. The derivation is simple, but messy, and involves vector crossproduct terms. The resulting dynamic equations, excluding the dynamics of the control device, backlash, and gear friction, are a set of forward and backward recursive equations. This set of recursive equations can be applied to the robot links sequentionally. The most significant result of this formulation is that the computation time of the generalized forces/torques is found linearly proportional to the number of joints of the robot arm and independent of the robot arm configuration. With this algorithm, one can implement simple real-time control of a robot arm in the joint-variable space. The N-E formulation results in a very efficient set of recursive equations, but they are difficult to use for deriving advanced control laws. Another approach for obtaining an efficient set of explicit equations of motion is based on the generalized dAlembert principle to derive the equations of motion which are expressed explicitly in vector-matrix form suitable for control analysis. In addition to allowing faster computation of 54the dynamic coefficients than the L-E equations of motion, the G-D equations explicitly identify the contributions of the translational and rotational effects of the links. Such information is useful for designing a controler in state space. Furthermore, the G-D equations of motion can be used in manipulator design. The computational efficiency is achieved from a compact formulation using Euler transformation matrices (or rotation matrices) and relative position vectors between joints. The computation of the applied forces/torques from the generalized dAlembert equations of motion is of order O(n3), while the L-E equations are of order O(n4)or of order O(n3)if optimized and the N-E equations are of order O(n) , where n is the number of degrees of freedom of the robot arm.Current the servomechanism approach models the varying dynamics of a manipulator inadequately because it neglects the motion and configuration of the whole arm mechanism. These changes in the parameters of the controlled system sometimes are significant enough to render conventional feedback control strategies ineffective. The result is reduced servo response speed and damping, limiting the
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