论MCGS对机械手系统的控制论文

目录摘要 11绪论 11.1本课题研究的目的、意义及应解决的主要问题 11.2本课题在国内外发展概况 22机械手控制的方式选择及可编程控制器的介绍 32.1机械手的控制方式的分及选择 32.2可编程控制器的介绍 33MCGS的介绍 43.1MCGS是什么 43.2MCGS的结构 44机械手系统的制作 54.1工程分析 54.2建立工程 64.3制作工程画面 64.3.1建立画面 64.3.2编辑画面 64.3.3制作文字框图 64.3.4图形的绘制 74.3.5构件的选取 74.3.6整体画面 94.4定义数据对象 104.5动画连接 114.5.1按钮的开停及指示灯的变化 114.5.2构件移动动画连接 134.5.3控制程序的编写 164.5.4利用定时器和脚本程序实现机械手的定时控制 175结论 216参考文献 227致谢 22论MCGS对机械手系统的控制摘要:MCGS(Monitor

and

Control

Generated

System)是一套Windows平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。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。MCGS

具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点。关键字：MCGS机械手绪论1.1本课题研究的目的、意义及应解决的主要问题

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。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。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统)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（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、实时曲线、历史曲线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，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。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。1.2本课题在国内外发展概况国外机械手领域:(1)工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。

(3)工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机械手化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。国内机械手领域：主要开发和制造各工业领域应用的助力机械手、自动移栽机设备；在机械行业、汽车行业、纺织行业、塑胶行业、物流行业等，如汽车行业分下来就有很多行业了，主要有1）汽车配件，主要用在内饰件注塑机，用来卸料，一般用2-3轴，高端的也有用六轴的，还有一些小件的冲压上的自动上下料2）汽车发动机，主要是用在组装和缸体自动涂胶上，X-Y轴就能实现，当然用水平多关节更好3）汽车总装，主要是车身涂装线和焊接线，一般都要采用六轴机械手4）汽车外件，主要是车灯和喇叭，也是用在涂胶上机械手控制的方式选择及可编程控制器的介绍制方式的分类及选择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)。由此，本设计选择计算机控制及可编程序逻辑控制器来控制机械手。2.2可编程控制器的介绍可编程序逻辑控制器(PLC)是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可编程逻辑控制器（PLC）具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。MCGS的介绍3.1什么是MCGSMCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统)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（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、实时曲线、历史曲线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，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。3.2MCGS的结构菜单设计设置工程属性设定存盘结构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定义数据变量编写控制流程使用功能结构设备窗口主控窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件机械手系统的制作4.1工程分析先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。工程框架：1个用户窗口：机械手控制系统；定时器构件的使用；3个策略：启动策略、退出策略、循环策略数据对象：图形制作：机械手控制系统窗口机械手及其台架及工件启动和复位按钮上移、下移、左移、右移、启动、复位指示灯流程控制：按启动按钮后，机械手下移5S——夹紧2S——上升5S——右移10S——下移5S——放松2S——上移5S——左移10S（S为秒），最后回到原始位置，自动循环。松开启动按钮，机械手停在当前位置。按下复位按钮后，机械手在完成本次操作后，回到原始位置，然后停止。松开复位按钮，退出复位状态。4.2建立工程[1]鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：\MCGS\WORK\下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)[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。4.3制作工程画面4.3.1建立画面[1]在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。[2]选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。[3]将窗口名称改为：机械手系统；窗口标题改为：机械手控制；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。[4]在“用户窗口”中，选中“机械手系统”，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4.3.2编辑画面选中“机械手系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。4.3.3制作文字框图[1]单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。[2]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。[3]在光标闪烁位置输入文字“机械手控制系统”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。[4]如果需要修改输入文字，则单击已输入的文字，然后敲回车键就可以进行编辑，也可以单击鼠标右键，弹出下拉菜单，选择“改字符”。选中文字框，作如下设置：点击（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色为：没有填充；点击（线色）按钮，设置文字框的边线颜色为：没有边线。点击（字符字体）按钮，设置文字字体为：宋体；字型：粗体；大小：26点击（字符颜色）按钮，将文字颜色设为：蓝色。4.3.4图形的绘制[1]画地平线：单击绘图工具箱中“画线”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形，在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一条一定长度的直线。单击“线色”按钮选择：黑色。单击“线型”按钮，选择合适的线型。[2]画矩形：单击绘图工具箱中的“矩形”工具按钮，挪动鼠标光标，此时呈“十字”形。在窗口适当位置按住鼠标左键并拖曳出一个一定大小的矩形。单击窗口上方工具栏中的“填充色”按钮，选择：蓝色。单击“线色”按钮，选择：没有边线。4.3.5构件的选取[1]机械手的绘制：单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框，如图：机械手构件的选择双击窗口左侧“对象元件列表”中的“其他”，展开该列表项，单击“机械手”，单击“确定”按钮。机械手控制画面窗口中出现机械手的图形。在机械手被选中的情况下，单击“排列”菜单，选择“旋转”——“右旋90度”，使机械手旋转90度。调整位置和大小。在机械手上面输入文字标签“机械手”。单击“保存”按钮。[2]画机械手左侧和下方的滑杆：利用“插入元件”工具，选择“管道”元件库中的“管道95”和“管道96”，如下图所示，分别画出两个滑杆，将大小和位置调整好。管道构件的选择[3]画指示灯：需要启动、复位、上、下、左、右、夹紧、放松8个指示灯显示机械手的工作状态。选用MCGS元件库中提供的指示灯，这里选择“指示灯2”如下图所示，如下：指示灯构件的选择画好后在每一个下面写上文字注释。调整位置，编辑文字。单击“保存”按钮。[4]画按钮：单击画图工具箱的“标准按钮”工具，在画图中画出一定大小的按钮。调整其大小和位置。4.3.6整体画面机械手控制系统界面4.4定义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：1)指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围2)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。下面以数据对象“垂直移动量”为例，介绍一下定义数据对象的步骤：[1]单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。[2]单击“新增对象”按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。[3]选中对象，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。[4]将对象名称改为：垂直移动量；对象类型选择：数值型；在对象内容注释输入框内输入：“控制构件上下运动的参量”，单击“确认”。按照此步骤，根据上面列表，设置其他14个数据对象。数据参量的设置4.5动画连接由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，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。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中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。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。4.5.1按钮的开停及指示灯的变化[1]按钮的动画连接：双击“启动按钮”，弹出“属性设置”窗口，单击“操作属性”选项卡，显示该页，如图所示。选中“数据对象值操作”。单击第1个下拉列表的“▼”按钮，弹出按钮动作下拉菜单，单击“取反”。单击第2个下拉列表的“？”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“启动按钮”。用同样的方法建立复位按钮与对应变量之间的动画连接。单击“保存”按钮。按钮控件的属性设置[2]指示灯的动画连接：双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。单击“动画连接”选项卡，进入该页，如图所示。单击“三维圆球”，出现“？”和“>”按钮。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，如图所示。单击“可见度”选项卡，进入该页，如图所示。在“表达式”一栏，单击“？”按钮，弹出当前用户定义的所以数据对象列表，双击“启动”（也可在这一栏直接输入文字：启动）。在“当表达式非零时”一栏，选择“对应图符可见”，如图所示。指示灯控件的动画组态设置指示灯控件的单元组态设置指示灯控件的单元组态可见度设置单击“确认”按钮，退出“可见度”设置页。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。单击“保存”按钮。按照前面的步骤，依次对其它指示灯进行设置。4.5.2构件移动动画连接[1]垂直移动动画连接。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位置坐标和大小。在上工件底边与下工件底边之间画出一条直线，根据状态条大小指示可知直线总长度，假设为72个像素。在机械手监控画面中选中并双击上工件，弹出“属性设置”窗口。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，如图所示，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，意思是：当垂直移动量=0时，向下移动距离=0；当垂直移动量=25时，向下移动距离=72。单击“确认”按钮，存盘。（垂直移动量的最大值=循环次数*变化率=25*1=25；循环次数=下移时间（上升时间）/循环策略执行间隔=5s/200ms=25次。变化率为每执行一次脚本程序垂直移动量的变化，本例中加1或减1。）下杆垂直运动量的设置[2]垂直缩放动画连接。选中下滑杆，测量其长度。在下滑杆顶边与下工件顶边之间画直线，观察长度。垂直缩放比例=直线长度/下滑杠长度，本例假设为200。选中并双击下滑杆，弹出属性设置窗口，单击“大小变化”选项卡，进入该页，如图所示设定。变化方向选择向下。变化方式为缩放。输入参数的意义：当垂直移动量=0时，长度=初值的100%；当垂直移动量=25时，长度=200%。下杆垂直缩放的设置[3]水平移动动画连接。在工件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，假设移动距离为180。脚本程序执行次数=左移时间（右移时间）/循环策略执行间隔=10s/200ms=50次。水平移动量的最大值=循环次数*变化率=50*1=50，当水平移动量=50时，水平移动距离为180。按图对右滑杆、机械手、上工件分别进行水平移动动画连接。参数设置的意思是：当水平移动量=0时，向右移动距离为0；当水平移动量=50时，向右移动距离为180。左杆水平移动的设置[4]水平缩放动画连接。估计或画线计算左滑杆水平缩放比例，假设为300。按图所示设定参数。填入各个参数，并注意变化方向和变化方式选择。当水平移动参数=0时，长度为初值的100%；当水平移动参数=50时，长度为300%。单击“确认”按钮，存盘。左杆缩放设置[5]工件移动动画的实现。选中下工件，在“属性设置”页中选择可见度。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：对应图符不可见。意思是：当工件夹紧标志=1时，下工件不可见；工件夹紧标志=0时，下工件可见。选中并双击上工件，将其可见度属性设置为与下工件相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符可见。存盘调试4.5.3控制程序的编写[1]定时器的使用。单击屏幕左上角的工作台图标，弹出“工作台”窗口。单击“运行策略”选项卡，进入“运行策略”页，如图所示。选中“循环策略”，单击右侧“策略属性”按钮，弹出“策略属性设置”窗口，如图所示。在“定时循序执行，循环时间[ms]”一栏，填入200。单击“确认”按钮。选中“循环策略”，单击右侧“策略组态”按钮，弹出“策略组态：循环策略”窗口。单击“工具箱”按钮，弹出“策略工具箱”，如图所示。在工具栏找到“新增策略行”按钮，单击，在循环策略窗口出现了一个新策略，如图所示。在“策略工具箱”选中“定时器”，光标变为小手形状。单击新增策略行末端的方块，定时器被加到该策略，如图所示。定时器的功能分为，启停功能：在需要的时候被启动，在需要的时候被停止。计时功能：启动后进行计时。计时时间设定功能，即可以根据需要设定时计时。状态报告功能：即是否到设定时间。复位功能，即在需要的时候重新开始记时。对定时器属性设置。双击新增策略行末端的定时器方块，填写定时器属性设置。如图所示。计时器值的设定4.5.4利用定时器和脚本程序实现机械手的定时控制进入循环策略组态窗口,如图所示。单击工具栏“新增策略行”按钮，在定时器下增加一行新策略。选中策略工具箱的“脚本程序”，光标变为手形。单击新增策略行末端的小方块，脚本程序被加到该策略。双击“脚本程序”策略行末端的方块。出现脚本程序编辑窗口。输入如下的程序清单。程序策略的组态程序如下：IF下移=0THEN垂直移动量=垂直移动量+1ENDIFIF上移=0THEN垂直移动量=垂直移动量-1ENDIFIF右移=0THEN水平移动量=水平移动量+1ENDIFIF左移=0THEN水平移动量=水平移动量-1ENDIFIF启动=1AND复位=0then定时器复位=0定时器启动=1ENDIFIF启动=0THEN定时器启动=0ENDIFif复位=1and计时时间>44then定时器启动=0endifif定时器启动=1thenif计时时间<5then下移=0exitendifif计时时间<=7then夹紧=0下移=1exitendifif计时时间<=12then上移=0工件夹紧标志=1exitendifif计时时间<=22then右移=0上移=1exitendifif计时时间<=27then下移=0右移=1EXITENDIFIF计时时间<=29THEN放松=0下移=1EXITENDIFIF计时时间<=34THEN上移=0放松=1工件夹紧标志=0EXITENDIFIF计时时间<=44THEN左移=0上移=1EXITENDIFIF计时时间>44THEN左移=1定时器复位=1垂直移动量=0水平移动量=0EXITENDIFENDIFIF定时器启动=0THEN下移=1上移=1左移=1右移=1ENDIF。结论过本次设计，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