【正文】 義 機(jī)械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象 .近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展 ,機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科 ,并得到了較快的發(fā)展 .機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓 ,沖壓 , 鍛造 ,焊接 ,裝配 ,機(jī)加 ,噴漆 ,熱處理等各個行業(yè) .特別是在笨重 ,高溫 ,有毒 ,危險 , 放射性 ,多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中 ,機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視 .總之 , 機(jī)械手是提高勞動生產(chǎn)率 ,改善勞動條件 ,減輕工人勞動強(qiáng)度和實(shí) 2 現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一 個重要手段 .國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展 . 可編程序控制器 (PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時工業(yè)控制裝置 .隨著微 電子技術(shù) ,自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展 ,PLC 在硬件配置 ,軟件編程 ,通 訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進(jìn)步 ,已經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一 [1]. 由于自動化可以節(jié)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優(yōu)越性 ,如通用性好 ,實(shí)用性強(qiáng) ,硬件配套齊全 ,編程 方法簡單易學(xué) ,因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 ,加拿大等國家應(yīng)用較多 ,如用果實(shí)采摘機(jī)械手來摘果實(shí) , 裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等 .我國自動化水平本身比較低 ,因此用 PLC 來控制的機(jī)械手還比較少 .本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過 PLC來實(shí)現(xiàn)自動化控制的 .通過此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí) PLC的相關(guān)知識 ,了解世界先進(jìn)水平 ,盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐 . MCGS 是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件 ,它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上運(yùn)行 ,通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的 采集處理 ,以動畫顯示 , 報警處理 ,流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案 ,在自動化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 [2].本設(shè)計(jì)通過 MCGS 組態(tài)軟件對機(jī)械手進(jìn)行監(jiān)控 ,將機(jī)械手的 動作過程進(jìn)行了動畫顯示 ,使機(jī)械手的動作過程更加形象化 . 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況 機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來 ,經(jīng)過 40 多年的發(fā)展 ,現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè) 生產(chǎn)自動化中重要的機(jī)電設(shè)備 . 目前 , 正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手 , 即程序控制機(jī)械手 .這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng) ,沒有感覺外界環(huán)境 信息的感覺器官 ,主要用于焊接 ,噴漆和上下料 .第二代機(jī)械手具有感覺器官 ,仍然以程序控制為基 礎(chǔ) ,但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正 .這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法 .現(xiàn)在 ,第三代機(jī)械手正在第一 ,第二代機(jī)械手的基 礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來 ,它是能感知外界環(huán)境與對象物 ,并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理 ,對自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手 .它能識別景物 ,具有觸覺 ,視覺 ,力覺 ,聽覺 ,味覺等多種感覺 ,能實(shí)現(xiàn)搜索 ,追蹤 ,辨色識圖等多種仿生動作 ,具有專家知識 ,語音功能和自學(xué)能力等人工智能 [3]. 目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展 :出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手 ,微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng) (如 細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動探測系統(tǒng) ,微型飛行器等 ) ,機(jī)械手化機(jī)器 ,智能機(jī)械手 (不僅 可以進(jìn)行事先設(shè)定的動作 ,還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動作 ,如回避障礙物的移動 ,作 業(yè)順序的規(guī)劃 ,有效的動態(tài)學(xué)習(xí)等 ) .機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展 ,并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊(duì) 3 [4][5]. 國外方面 :近幾年國外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個發(fā)展趨勢 .機(jī)械手性能不斷提高 , 而單機(jī)價格不斷下降 。 1 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi) ,由于工作的需要 ,人們經(jīng)常受到高溫 ,腐蝕及有毒氣體等因素的危害 , 增加了工人的勞動強(qiáng)度 ,甚至于危及生命 .自從機(jī)械手問世以來 ,相應(yīng)的各種難題迎刃而解 . 在本設(shè)計(jì)中介紹了國內(nèi)外機(jī)械手研究現(xiàn)狀及 PLC 的研究發(fā)展趨勢 ,描述了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作 原理和動作實(shí)現(xiàn)過程 .研究了基于 PLC 的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,還研究了 MCGS 在機(jī)械手控制 系統(tǒng)中的應(yīng)用 .利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計(jì)了機(jī)械手模型控制系統(tǒng)監(jiān)控界面 ,提供了較為直觀 ,清晰 , 準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài) ,進(jìn)而為維修和故障診 斷提供了多方面的可能性 ,充分提高了系統(tǒng)的工作效率。機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化 ,可重構(gòu) 化發(fā)展 。在基礎(chǔ)元件方面 ,諧波減速器 ,機(jī)械手焊接電源 ,焊縫 自動跟蹤裝置也有了突破 .從 技術(shù)方面來說 ,我國已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ) [6]. 課題研究的內(nèi)容 本課題主要研究的是基于 PLC 的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì) .通過設(shè)計(jì)編制 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動控制 .利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計(jì)出人機(jī)界面 ,進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接 ,實(shí)現(xiàn)動畫連接 ,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控 . 通過 MCGS 將機(jī)械手的動作過程進(jìn)行動畫演示 ,使機(jī)械手的動作形象化 .提供較為直觀 , 清晰 ,準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài) ,為維修和故障診斷提供多方面 的可能性 ,充分提高系統(tǒng)的工作效率 . 第二章 機(jī)械手控制方式的選擇和可編程序控制器簡介 機(jī)械手控制方式的選擇 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實(shí)現(xiàn) ,這種控制方式投資 相對少一些 ,目前僅在一些舊式的 ,簡單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場 ,但該控制方式卻有 以下致命缺陷 : (1)僅適合于簡單的邏輯控制 。運(yùn)算速度提高 ,CPU 的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 。既可現(xiàn)場控制 ,又可遠(yuǎn)程控制 . 5,體積小 ,重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 由于 PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路 .因此具有體積小 ,重量輕 ,功耗低的特點(diǎn) .且 PLC 是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī) ,其結(jié)構(gòu)緊湊 ,堅(jiān)固耐用 ,體 積小巧 ,并由于具備很強(qiáng)的 可靠性和抗干擾能力 ,使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部 ,因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的 控制設(shè)備 [10]. 同樣 ,可編程序控制器控制也有其不足的地方 ,在性價比上要高于繼電器控制和單片 機(jī)控制 ,其開發(fā)潛力要差于單片機(jī) ,并且通用性不好 ,不同廠家的可編程序控制器以及其 附屬單元都是固定專用等等 . PLC 的主要功能 PLC 是一種應(yīng)用面很廣 ,發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置 ,在工廠自動化 (FA)和計(jì)算 機(jī)集成制造系統(tǒng) (CIMS)內(nèi)占重要地位 . PLC 系統(tǒng)主要有以下功能 : 1) 多種控制功能 。 5) 人機(jī)界面功能 。二是向大型網(wǎng)絡(luò)化 ,高可靠性 ,好的兼容性和多功能方面發(fā)展 [12]. 1,大型網(wǎng)絡(luò)化 主要是朝 DCS 方向發(fā)展 , 使其具有 DCS 系統(tǒng)的一些功能 . 網(wǎng)絡(luò)化和通信能力強(qiáng)是 PLC 發(fā)展的一個重要方面 ,向下可將多個 PLC,I/O 框架相連 ,向上與工業(yè)計(jì)算機(jī) ,以太網(wǎng) , MAP 網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng) . 2,多功能 隨著自調(diào)整 ,步進(jìn)電機(jī)控制 ,位置控制 ,伺服控制等模塊的出現(xiàn) ,使 PLC 控制領(lǐng)域更 加寬廣 . 第三章 機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)件概述 本課題設(shè)計(jì)使用的是 THWJX1 型機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置 .機(jī)械手實(shí)物教學(xué)模型的 機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿 ,滑桿 ,氣缸 ,氣夾等機(jī)械部件組成 。 10%的交流電 .由于本設(shè)計(jì)使用的是 FX1N 系列可編程 控制器 ,所以有直流 24V 輸出接線端 .該接線端可為輸入及傳感器 (如光電開關(guān)或接近開 關(guān) )提供直流 24V 電源 . 3,接地 正確選擇接地點(diǎn) ,完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個 ,其一為了安全 ,其二是為了 抑制干擾 . 完善的接地系統(tǒng)是 PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一 . 系統(tǒng)接地方式有 : 浮地方式 ,直接接地方式和電容接地三種方式 .對 PLC 控制系統(tǒng)而言 ,它屬高速低電平控 制裝置 ,應(yīng)采用直接接地方式 .良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件 ,可以避免偶 然發(fā)生的電壓沖擊危害 .所以我們給可編程控制器接上了專用接地線 . 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線圖 PLC 外部電氣接線圖見附錄 2 機(jī)械手控制程序的調(diào)試 在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題 ,但最終都一一解決了 .在使用 STL 指令編程 時 ,剛開始由于對 STL 指令掌握的不是很好 ,所以犯了不 少錯誤 ,加上機(jī)械手模型裝置本 身存在的一些問題 ,所以在調(diào)試程序時 ,機(jī)械手動作不符合控制要求 .經(jīng)過不斷查閱資料 , 研究 ,改進(jìn) ,最終程序調(diào)試成功 .機(jī)械手運(yùn)行良好 ,動作正確 ,符合控制要求 . 第四章 MCGS 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 MCGS 的概述 MCGS(Monitor and Control Generated System,通用監(jiān)控系統(tǒng) )是一套用于快速構(gòu)造 和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件 . 它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上 運(yùn)行 ,通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采 集處理 ,以動畫顯示 ,報警處理 ,流程控制和報表輸出等多種 方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案 ,在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 .其主要特征和 功能大體為 :具有簡單靈活的可視化操作界面 ,實(shí)時性強(qiáng) ,有良好的并行處理性能 ,有豐 富生動的多媒體畫面 ,開放式結(jié)構(gòu) ,廣泛的 14 數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能 ,完善的安全 機(jī)制 ,強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能 ,多樣化的報警功能 ,支持多種硬件設(shè)備 ,方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流 程 ,良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性 ,設(shè)立對象元件庫組態(tài)工作簡單方便 ,能實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng) 的分布式控制和管理等等 [17]. MCGS 系統(tǒng)包括組態(tài) 環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個部分 . 用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行 ,組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟 件 ,它幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng) .用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件 ,稱 為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫 . 運(yùn)行環(huán)境是一個獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng) ,它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種 處理 ,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能 .運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義 ,必須與數(shù)據(jù)庫一起 作為一個整體 ,才能構(gòu)成用戶引用系統(tǒng) .組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了 MCGS 系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向 運(yùn)行環(huán)境的過渡 ,它們之間的關(guān)系如圖 41 所示 . 圖 41 組 態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境關(guān)系圖 由 MCGS 生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng) ,其結(jié)構(gòu)由主控窗口 ,設(shè)備窗口 ,用戶窗口 ,實(shí)時數(shù)據(jù) 17 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 庫和運(yùn)行策略五個部分組成 ,如圖 42 所示 . 15 圖 42 MCGS 用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 MCGS 的主要特性和功能 (1)簡單靈活的可視化操作界面 . (2)實(shí)時性強(qiáng) ,良好的并行處理性能 . (3)豐富 ,生動的多媒體畫面 . (4)開放式結(jié)構(gòu) ,廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能 . MCGS 系統(tǒng)由五大功能模塊組成 ,主要的功能模塊以構(gòu)件的形式來構(gòu)造 ,不同的構(gòu)件 有著不同的功能 ,且各自獨(dú)立 .三種基本類型的構(gòu)件 (設(shè)備構(gòu)件 ,動畫構(gòu)件 ,策略構(gòu)件 ) 完成了 MCGS 系統(tǒng)三大部分 (設(shè)備驅(qū)動 ,動畫顯示和流程控制 )的所有工作 .除此以外 , MCGS 還提供了一套開放的可擴(kuò)充接口 ,用戶可根據(jù)自己的需要用 VB,VC 等高級開發(fā)語 言 ,編制特定的構(gòu)件來擴(kuò)充系統(tǒng)的功能 .MCGS 用數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)存儲 ,系統(tǒng)可靠性高 . MCGS 設(shè)立對象元件庫 ,組態(tài)工作簡單方便 ,易于實(shí)現(xiàn)對工控系統(tǒng)的分布式控制和管理 . MCGS 的編程語言 MCGS 全中文組態(tài)軟件 ,采用 C++語言編制 ,核心為組態(tài)結(jié)構(gòu) .構(gòu)架合理 ,連接靈活 , 結(jié)構(gòu)層次清晰 ,方便用戶的定制開發(fā) .它是基于 WIN95/98/NT 視窗結(jié)構(gòu) ,能夠快速構(gòu)造和 生成數(shù)據(jù)管理 ,報警處理 ,流程控制 ,動畫顯示 ,報表輸出等界面 ,輕松實(shí)現(xiàn)各種工程曲 線 ,報表 ,數(shù)據(jù)瀏覽 ,遠(yuǎn)程通訊 ,遠(yuǎn)程采集 ,遠(yuǎn)程診斷等功能的先進(jìn)軟件 . MCGS 組態(tài)軟件采用 Basic 的腳本語言編程 ,有強(qiáng)大的圖形化流程策略組態(tài)工具 ,使 18 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 編程工作降到最少 ,令用戶愛不釋手 .MCG