【正文】 設(shè)置 30圖420 工件夾緊標(biāo)志動畫組態(tài)屬性設(shè)置 31表格清單 表21 RS232接口的定義 7表35 PLC的I/O分配表 12表41 機(jī)械手控制系統(tǒng)變量分配表 17引言在現(xiàn)代化大生產(chǎn)的時期，我們無論是工業(yè)制造、軍事、娛樂以及醫(yī)療領(lǐng)域等都離不開機(jī)械手的輔助功能。只有這樣我們才能讓理論結(jié)合實(shí)際的前提下，更好的為生活發(fā)展做出貢獻(xiàn)。目前機(jī)械手的發(fā)展朝著更加實(shí)用化、智能化以及人性化的方向發(fā)展，因此控制器也是由先前的繼電式發(fā)展到目前使用更多的可編程式?？删幊炭刂破骷春喎Q為“PLC”，采用一種可編程的存儲器，可根據(jù)其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過模擬或數(shù)字式輸入/輸出控制各種不同類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。組態(tài)軟件的種類很多，基于我們所學(xué)習(xí)的以及比較了解的，對于機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計采用MCGS組態(tài)軟件來進(jìn)行面向?qū)ο蟮目刂?。因此，采用可編程控制器（PLC）和MCGS的結(jié)合再加上傳感器的選型、輸入／輸出接口的選擇，同時根據(jù)理論的支持和通過模擬實(shí)驗(yàn)的可行性操作，這樣就能很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)械手的研究逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。特別是在高溫、笨重、有毒、危險、多粉塵、放射性等惡劣的復(fù)雜勞動環(huán)境中，基于機(jī)械手顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。不論國際還是國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)都非常重視它的研究應(yīng)用和發(fā)展[1]。根據(jù)PLC作為控制器，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的整個動作流程。 機(jī)械手控制在國內(nèi)外的研究和發(fā)展概況機(jī)械手大致經(jīng)歷三代的發(fā)展，第一代機(jī)械手屬于程序控制機(jī)械手，即采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官；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；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[2]。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[2]。國內(nèi)方面：目前在一些機(jī)械手種類方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；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。在機(jī)械手控制發(fā)展的過程中，可以看出都是向著人性化和簡單化的方向發(fā)展。 本課題研究的主要內(nèi)容本課題主要研究的是基于MCGS的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，包括硬件和軟件的設(shè)計。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計出上位機(jī)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，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的實(shí)時監(jiān)控。第2章 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括被控對象機(jī)械手，控制器的選擇和設(shè)計，上位機(jī)的設(shè)計和演示。圖21 總體方案圖 機(jī)械手控制方式的選擇 機(jī)械手的選擇 機(jī)械手作為的被控對象，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括，上下移動、左右移動、機(jī)械手的夾緊和放松功能，故可采用普通的機(jī)械手，它具有3個自由度：手臂左右伸縮、手臂上下擺動、手指抓握等功能。 機(jī)械手控制方式的選定 傳統(tǒng)的設(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，但這種控制方式卻有以下致命缺陷：僅適合于簡單的邏輯控制；僅適合特殊的工程項目，而沒有通用性；沒有改動和優(yōu)化的可能性。目前，工業(yè)自動化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：可編程序邏輯控制器（PLC）；工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）；集散控制系統(tǒng)（DCS）[3]。PLC具有很多的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，機(jī)械手的控制方式即下位機(jī)選擇PLC控制。 PLC的結(jié)構(gòu)和主要功能PLC和一般的微型計算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成[4]。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。因此PLC系統(tǒng)有以下主要功能：1) 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；2) 多種控制功能；3) 通信聯(lián)網(wǎng)功能；4) 人機(jī)界面功能；5) 輸入、輸出接口調(diào)理功能；6) 編程、調(diào)試功能。對PLC的經(jīng)濟(jì)分析，應(yīng)從如下幾方面分析：從影響成本的各個因素綜合考慮根據(jù)目前生產(chǎn)設(shè)備控制裝置來說，有三種類型分別為：繼電器控制系統(tǒng)；半導(dǎo)體器件控制系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)。從設(shè)計、生產(chǎn)周期長短考慮不論是對舊設(shè)備進(jìn)行改造，還是設(shè)計新的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備。這無疑給企業(yè)增加了活力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。這是因?yàn)槭褂肞LC不必改動外部設(shè)備接線，只要對軟件進(jìn)行一些改變就可以了。這既經(jīng)濟(jì)又簡捷，可以達(dá)到事半功倍的效果。 上位機(jī)組態(tài)軟件的選擇上位機(jī)是機(jī)械手控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要部分，通過上位機(jī)可以實(shí)時顯示機(jī)械手動作實(shí)時情況。在處理突發(fā)問題的時候，上位機(jī)也有著非常大的作用。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。同時，可作為很好的上位機(jī)設(shè)計，包括國、內(nèi)外在內(nèi)有很多的種類，無論在專業(yè)性方面還是在各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)的情況下，它們都有著自個方面的功能。 MCGS的構(gòu)成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)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。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)計的目標(biāo)和功能。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23所示[5]。圖24 MCGS用戶應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通信方式的選擇通信是連接PLC和MCGS的重要通道，其中通信方式有很多種，對于點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，按消息傳送的方向與時間關(guān)系，通信方式可分為串口、并口通信兩種。 通過MODEM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集的功能也非常便利。常用的通信方式有RS23RS48RS422等。串口通信中，為保證通信的正確性、完整性，通常在通信幀的尾部加有校驗(yàn)。根據(jù)協(xié)議，向PLC發(fā)送寄存器的讀寫命令, 并接收應(yīng)答數(shù)據(jù)。表21 RS232接口的定義針腳信號定義1DCD載波檢測2RXD接收數(shù)據(jù)3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5SGND信號地6DSR數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好7RTS請求發(fā)送8CTS清除發(fā)送9RI振鈴提示第3章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 機(jī)械手控制實(shí)現(xiàn)的具體內(nèi)容 機(jī)械手的動作是根據(jù)機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，全部動作由雙線圈二位電磁閥推動氣缸驅(qū)動控制。圖31 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)某個電磁閥線圈通電時，就一直保持現(xiàn)有的機(jī)械動作，例如一旦下降的電磁閥線圈通電，機(jī)械手下降，即使線圈再斷電，仍保持現(xiàn)有的下降動作狀態(tài)，直到相反的線圈通電為止。設(shè)備裝有上、下限位開關(guān)和左、右限位開關(guān)，它的工作過程如圖32所示，當(dāng)機(jī)械手停在左限位處時，按下啟動按鈕，機(jī)械手下降，當(dāng)機(jī)械手下碰到下限位開關(guān)時，停止下降，機(jī)械手線圈通電，夾緊工件。在右行的過程中，右限位開關(guān)才停止右行，下降到下限位開關(guān)位置，電磁線圈斷電放松工件，然后上升到上限位開關(guān)位置停止上升，開始左行，碰到左限位開關(guān)停止左行；至此，機(jī)械手經(jīng)過八步動作完成一個循環(huán)，如此反復(fù)執(zhí)行[6]。最大限度地滿足被控對象或產(chǎn)生過程的控制要求，同時對于一些原來在使用繼電接觸器線路很難實(shí)現(xiàn)的要求，使用PLC后，將很容易實(shí)現(xiàn)。對一些過去較為繁瑣的控制可利用PLC的特點(diǎn)加以簡化，通過內(nèi)部程序簡化外部接線及操作方式。 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，選擇PLC容量及I/O點(diǎn)數(shù)時，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。2）PLC處理速度原則PLC工作時，從輸入信號控制存在著滯后現(xiàn)象，即輸入量的變化，一般要在1～2個掃描周期之后才能反映到輸出端，這對于一般工業(yè)控制是允許的。例如，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在幾十到幾千點(diǎn)范圍內(nèi)，這時用戶應(yīng)用程序的長短對系統(tǒng)的響應(yīng)速度會有較大的差別。3）PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求 PLC的結(jié)構(gòu)分為整體式、模塊式和疊裝式等三種。模塊式PLC的功能擴(kuò)展，I/O點(diǎn)數(shù)的增減，輸入與輸出點(diǎn)數(shù)的比例，都比整體式靈活。在使用時，應(yīng)按實(shí)際具體情況進(jìn)行選擇。 傳感器與行程開關(guān)的選擇 本設(shè)計在控制機(jī)械手運(yùn)行的過程中，需要有行程開關(guān)來控制機(jī)械手的行程位置，進(jìn)而來控制機(jī)械手的動作。 行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運(yùn)動的物體(如行車、門等，簡稱動物)上。由開關(guān)接點(diǎn)開、合的不同狀態(tài)改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動作。 行程開關(guān)分為直動式、滾動式和微動式三種。本設(shè)計選用LX19K行程開關(guān)。 接近開關(guān)傳感器接近開關(guān)：利用位移傳感器對接近物體的敏感特性制作的開關(guān)。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動作時，輸出端對地接通。圖33 接近開關(guān)傳感器與PLC連接的工作原理圖 PLC程序設(shè)計 I/O點(diǎn)數(shù)的確定及PLC類型的選擇本次設(shè)計使用的是普通機(jī)械手作為被控對象。由于機(jī)械手系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機(jī)對PLC進(jìn)行監(jiān)控和管理，該機(jī)械手的控制為純開關(guān)量控制，且I/O點(diǎn)數(shù)不多，僅需6個輸入點(diǎn)和7個輸出點(diǎn)，考慮留有一定的裕量。 PLC的I/O分配 根據(jù)機(jī)械手動作的要求及機(jī)械手實(shí)物教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置說明指導(dǎo)，輸入、輸出點(diǎn)的分配如表35所示。用輔助繼電器代表步，僅僅使用與觸電和線圈有關(guān)的指令。方案二：采用以轉(zhuǎn)換為中心的編程方式。方案三：采用STL指令的編程方式。經(jīng)論證本次設(shè)計采用的編程方式選用方案三。圖34 程序流程圖根據(jù)對機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計和各種型號的選擇，同時基于機(jī)械手控制動作的流程圖，即可設(shè)計出出機(jī)械手動作的程序流程圖如圖35所示。圖35 程序流程圖 PLC程序的調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計調(diào)試就具有十分重要的意義。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當(dāng)長些。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強(qiáng)。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。10%的交流電。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。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。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。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。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。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。第4章 控制系統(tǒng)在MCGS中的軟件設(shè)計 MCGS的編程語言和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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)。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，使編程工作降到最少，因而獲得用戶的喜愛[7]。數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)件可同時以表格和曲線的形式顯示存盤數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，實(shí)時曲線可以動態(tài)顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，并可以設(shè)定上下限值和時間的長短，以便于用戶查詢，同時提供EXCEL報表和MCGS自由報表。2) 單擊文件菜單中“新建工程”選項，自動生成新建工程，默認(rèn)的工程名為：“”。4) 在文件名一欄內(nèi)輸入“機(jī)械手控制系統(tǒng)6”，點(diǎn)擊“保存”按鈕，工程創(chuàng)建完畢。圖41 MCGS工作臺窗口在MCGS中，變量也叫數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象是構(gòu)成實(shí)時數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時數(shù)據(jù)庫的過程也就是定義數(shù)據(jù)對象的過程。 變量的分配在開始定義之前，我們先對系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定需要的變量。表41 機(jī)械手控制系統(tǒng)變量分配表變量名類型初值注釋啟動按鈕開關(guān)型0機(jī)械手啟動控制信號，X11輸入，1有效復(fù)位按鈕開關(guān)型0機(jī)械手復(fù)位控制信號，X12輸入，1有效夾緊開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——夾緊，輸出，0有效放松開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——放松，輸出，0有效上升開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——上升，輸出，0有效下降開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——下降，輸出，0有效前伸開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——前伸，輸出，0有效后縮開關(guān)型1機(jī)械手動作控制——后縮，輸出，0有效X5開關(guān)型0X軸前限位，輸入，1有效，停止前伸X6開關(guān)型0X軸后限位，輸入，1有效，停止后縮X7開關(guān)型0Y軸上限位，輸入，1有效，停止上升X10開關(guān)型0Y軸下限位，輸入，1有效，停止下降工件夾緊標(biāo)志開關(guān)型0夾緊為1初始位置開關(guān)型1工件處于初始位置時為1