机械手MCGS仿真教学模型的设计.pdf

目录目录目录目录.1 1摘要.3第第 1 1 章章 引引言言.1 11.1 设计概述.11.2 设计目标与意义.21.3 章节安排.2第第 2 2 章章 方案论证与选型方案论证与选型.4 42.1 设计任务分析.42.2 方案论证与选择.42.2.1 方案一.42.2.2 方案二.42.3 方案确定.4第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计.5 53.1 可编程序控制器简介.53.2 PLC 的结构.53.3 PLC 的主要功能.63.4 PLC 的特点.73.5 PLC 的发展状态和趋势.8第第 4 4 章章 软件设计软件设计.10104.1 MCGS 的概述.104.1.1 MCGS 的简介.104.1.2 MCGS 的构成.104.1.3 MCGS 主要特性和功能.114.1.4 MCGS 的编程语言.114.1.5 MCGS 的数据结构.124.1.6 MCGS 的作用.124.2 工程的建立与变量的定义.124.2.1 工程的建立.124.2.2 变量的分配.134.2.3 变量定义的步骤.144.2.4 设备与变量连接.154.3 工程画面的建立.164.3.1封面窗口及监控画面的制作.184.4 动画的连接.194.4.1 指示灯的动画连接.194.4.2 机械手的动画连接.204.5 组态运行.21第第 5 5 章章 产品调试产品调试.22225.1 调试的设备.225.2 调试步骤.225.3 调试结果.235.4 故障分析.23第第 6 6 章章 产品使用说明产品使用说明.24246.1 功能描述.246.2 使用说明.24第第 7 7 章章 心得体会心得体会.2525致谢.26参 考 文 献.27附 录.28附件一：元件清单.28附件二：设计流程图.29附件三：程序清单.30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 研究和发展趋势，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；MCGS张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书1第第 1 1 章章引引言言1.11.1 设计概述设计概述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。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。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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书21.21.2 设计目标与意义设计目标与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。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。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。1.31.3 章节安排章节安排本设计报告大致可分为 3 个部分，第一部分为第一章和第二章，第二部分包含第三章至第六章，给出硬件和软件设计，产品说明和产品调试结果，第三部分包括第七章，是对设计成果的总结及心得体会。是对设计成果的总结及心得体会。设计成果报告，内容具体组织安排如下：第一章，引言第二章，方案论证与选型张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书3第三章，硬件电路设计第四章，软件设计第五章，产品调试第六章，产品使用说明第七章，心得体会张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书4第第 2 2 章章方案论证与选型方案论证与选型2.12.1 设计任务分析设计任务分析本课题设计的是机械手 MCGS 仿真教学模型的设计，为了完成设计要求，我们需要采用 PLC 和 MCGS 联机完成。2.22.2 方案论证与选择方案论证与选择经过对设计任务的分析，我们有两套方案可以完成设计要求；2.2.1 方案一方案一：采用三菱 PLC 与 MCGS 联机完成本课题。2.2.2 方案二方案二：采用西门子 PLC 与 MCGS 联机完成本课题。2.32.3 方案确定方案确定方案二，因在学校学习的是西门子 PLC，比起三菱 PLC，西门子 PLC 运用起来更加熟练，更加方便，综合考虑，选择方案二。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书5第第 3 3 章章硬件电路设计硬件电路设计3.13.1 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。3.23.2 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，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 S7-300PLC、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。其结构简图如 3-1 下：张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书6图图 3-13-1PLC 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。3.33.3 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。PLC 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张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书7展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。3.43.4 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。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，而且还能完成张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书8A/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。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。3.53.5 PLCPLC 的发展状态和趋势的发展状态和趋势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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书9(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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书10第第 4 4 章章软件设计软件设计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。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。图图 4-14-1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。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张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书11图图 4-24-24.1.34.1.3 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。MCGS 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。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张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书124.1.54.1.5 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、XY 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。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4.2.14.2.1 工程的建立工程的建立(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：“窗口 0”。(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 所示张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书13图图 4-34-3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 23 个变量，见表 4-4。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。表表 4-44-4 机械手控制系统变量分配表机械手控制系统变量分配表变量名类型初值垂直下移数值型0夹紧或放松开关型0启动开关型0球上下移动数值型0球水平移动数值型0上限开关型0上移开关型0张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书14手动夹紧开关型0手动上开关型04.2.34.2.3 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，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。(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；(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。手动松开开关型0手动下开关型0手动选择开关型0手动右开关型0手动左开关型0停止开关型0下限开关型0下移开关型0右限开关型0指示灯开关型0自动模式开关型0左限开关型0右移开关型0左移开关型0张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书15图图 4-54-5图图 4-64-64.2.44.2.4 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，张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书16(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。(9)双击“设备 0-模拟设备”，进入模拟设备属性设置窗口，如图 4-7(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。图图 4-74-74.34.3 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 4-8 所示。(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：封面窗口；窗口标题改为：封面窗口；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 4-9张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书17所示。图图 4-84-8图图 4-94-9(4)选中“窗口 1”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书18(5)将窗口名称改为：机械手；窗口标题不改。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”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。(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 4-10 所示。图图 4-104-10张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书19(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”进行画面制作。“机械手监控画面”如图 4-11 所示，设计了 10 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。图图 4-114-114.44.4 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 4-12 所示。(5)选中“可见度”选项卡，其他项不选。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书20(6)单击“可见度”选项卡进入该页。(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。图图 4-124-124.4.24.4.2 机械手的动画连接机械手的动画连接刚才图4-11的画面，只用10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、抓球、放球等动作，图中机械手、球等部分需要随动作进行张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书21水平移动，球要做垂直移动。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。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书22第第 5 5 章章产品调试产品调试5.15.1 调试的设备调试的设备西门子 PLCS-200一个MCGS 组态模件嵌入版一套5.25.2 调试步骤调试步骤先进入西门子 PLC 中查看程序，程序正确无误后，下载,进入 MCGSE 组态环境查看组态有没有问题，无问题后进行 PLC 程序下载进入组态中，最后进行工程下载，进入 MCGSE 模拟运行环境运行组态，确定是否真的无误。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书235.35.3 调试结果调试结果图图 5-15-15.45.4 故障分析故障分析PLC 程序出现故障，需要自己重新查看 PLC 程序是否编写正确。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书24第第 6 6 章章产品使用说明产品使用说明6.16.1 功能描述功能描述本课题做出的机械手 MCGS 仿真教学模型比较简单，但更加实用。本课题的机械手中采用了启动和停止按钮，自动模式和手动模式，自动模式下能让机械手自动运行，手动模式下却必须自己手动按下按钮让机械手运行。6.26.2 使用说明使用说明自动模式时，当机械手装置停在左限位处时，按下自动启动按钮，机械手下降，当机械手碰到下限位开关时，停止下降，夹紧大球，开始上升，当机械手碰到上限位开关时，停止上升，继续夹紧大球，向右移动，当机械手碰到右限位开关时，停止右行，继续夹紧大球，向下下将，当机械手碰到下限位开关时，停止下降，放松大球，开始上升，当机械手碰到右限位开关时，停止上升，向左移动，当机械手碰到左限位开关时，停止左行，机械手回到原点限位，以此为循环。手动模式时，当机械手装置停在左限位处时，按下手动启动按钮，按下下行按钮，机械手下降，当下限位灯亮时，松开下行按钮，按下夹紧按钮，机械手夹紧大球，松开夹紧按钮，按下上行按钮，机械手上升，当上限位灯亮时，松开上行按钮，按下右行按钮，机械手右行，当右限位灯亮时，松开右行按钮，按下下行按钮，机械手下将，当下限位灯亮时，松开下行按钮，按下松开按钮，机械手松开大球，松开松开按钮，按下上行按钮，机械手上升，当右限位灯亮时，松开上行按钮，按下左行按钮，机械手左行，当左限位灯亮时，机械手回到原点限位，以此为循环。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书25第第 7 7 章章心得体会心得体会在本次课题设计中，机械手装置控制系统采用 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，本文中的机械手装置控制系统的机械手模型比较简单，还需要不断改进和加强。张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书26致致谢谢本论文是在导师的精心指导和热情的帮助下完成的。同时老师给我提出了宝贵的意见和建议，导师渊博的知识、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，谨向导师们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！张家界航空工业职业技术学院毕业设计说明书27参参 考考 文文 献献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，2005，1-142 许志军工业控制组态软件及应用北京：机械工业出版社2005，192-1983 王承义机械手及其应用北京：机械工业出版社，1981，12-254 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，2006，27-356 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，1998，12-607 林小峰可编程序控制器及应用北京：高等教育出版社，1991，17-268 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，2004，28-349 王承义机械手及其应用北京：机