基于MCGS的机械手控制系统.docx
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基于MCGS的机械手控制系统
长沙航空职业技术学院（2012届）
毕业设计（论文）
基于MCGS的机械手控制系统
学院、系：
航空电子电气工程系
专业：
生产过程自动化技术
学生姓名：
龙裕明
班级：
自动化0902
学号27
指导教师姓名：
阳宇辉
职称讲师
2012年5月
封面…………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………4
1绪论………………………………………………………………6
1.1课题研究的目的及意义……………………………………6
1.2国内外机械手研究状况……………………………………6
2机械手控制方式的选择和可编程序控制器介绍………………8
2.1机械手控制方式的选择……………………………………8
2.1.1控制方式的分类………………………………………8
2.2传感器………………………………………………………8
2.2.1行程开关………………………………………………8
2.2.2压力传感器……………………………………………9
3MCGS在机械手控制中的作用…………………………………11
3.1MCGS的概述………………………………………………11
3.1.1MCGS的简介…………………………………………11
3.1.2MCGS的构成…………………………………………11
3.1.3MCGS主要特性和功能………………………………12
3.1.4MCGS的编程语言……………………………………13
3.1.5MCGS的数据结构……………………………………13
3.1.6MCGS的作用…………………………………………14
3.2工程的建立与变量的定义…………………………………14
3.2.1工程的建立……………………………………………14
3.2.2变量的分配……………………………………………15
3.2.3变量的定义步骤………………………………………17
3.2.4设备与变量连接………………………………………19
3.3工程画面的建立……………………………………………22
3.3.1监控画面的制作………………………………………24
3.3.2运行策略的建立及脚本程序的编写…………………26
3.4动画的连接…………………………………………………31
3.4.1指示灯的动画连接……………………………………31
3.4.2机械手的动画连接……………………………………33
3.5组态运行……………………………………………………37
结论…………………………………………………………………38
致谢…………………………………………………………………39
参考文献……………………………………………………………40
附录A系统流程图…………………………………………………41
附录B硬件接线图…………………………………………………42
摘要
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）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。
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。
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。
关键词：
MCGS机械手
Abstract
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）isasetofWindowsplatform,usedforrapidconstructionandgenerationofPCcontrolsystemconfigurationsoftwaresystem.MCGSprovidesuserswithsolvingthepracticalproblemsinthecompleteplananddevelopmentplatform,cancompletethedataacquisition,real-timeandhistoricaldataprocessing,alarmandsecuritymechanism,processcontrol,animationdisplay
trendcurveandreportoutputandenterprisemonitoringnetworkandotherfunctions.MCGSinmanipulatorcontrolsystemapplication.UsingtheconfigurationsoftwareMCGSdesignofthemanipulatormodelcontrolsystemmonitoringinterface,providesamoreintuitive,clear,accuratemanipulatoroperationstate,andfortherepairandfaultdiagnosisforthemanifoldpossibilities,andfullyimprovetheworkingefficiencyofthesystem.
MCGShastheadvantagesofsimpleoperation,goodvisibility,themaintainabilityisstrong,highperformance,highreliabilityandotherprominentfeatures.
Keywords:
MCGS;Manipulator;
1绪论
1.1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。
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。
1.2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。
2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
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）。
2.2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。
2.2.1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1.5~3.5mm，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。
2.2.2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。
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（-40℃~125℃）、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。
3MCGS在机械手控制中的应用
3.1MCGS的概述
3.1.1MCGS的简介
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，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]。
3.1.2MCGS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3.1所示。
图3.1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3.2所示。
图3.2MCGS用户应用系统结构图
3.1.3MCGS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。
3.1.4MCGS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。
3.1.5MCGS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。
3.1.6MCGS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。
3.2工程的建立与变量的定义
3.2.1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3.3所示。
图3.3MCGS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。
3.2.2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3.2.1。
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3.2.1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，1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——吸球，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
水平移动量
数值型
0
动画参数
3.2.3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3.4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3.5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3.4实时数据库窗口
图3.5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3.6所示。
（6）按照步骤2~5，根据上面列表，设置其他数据对象。
（7）单击“保存”按钮。
图3.6数据对象属性设置窗口
3.2.4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3.7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
升级会员 