基于MCGS的机械手控制综合系统.docx

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基于MCGS的机械手控制综合系统

长沙航空职业技术学院（）

毕业设计（论文）

基于MCGS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

指导老师姓名：

阳宇辉

职称讲师

5月

封面…………………………………………………………………1

摘要…………………………………………………………………4

1绪论………………………………………………………………6

1.1课题研究目标及意义……………………………………6

1.2中国外机械手研究情况……………………………………6

2机械手控制方法选择和可编程序控制器介绍………………8

2.1机械手控制方法选择……………………………………8

2.1.1控制方法分类………………………………………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在机械手控制中作用…………………………………11

3.1MCGS概述………………………………………………11

3.1.1MCGS介绍…………………………………………11

3.1.2MCGS组成…………………………………………11

3.1.3MCGS关键特征和功效………………………………12

3.1.4MCGS编程语言……………………………………13

3.1.5MCGS数据结构……………………………………13

3.1.6MCGS作用…………………………………………14

3.2工程建立和变量定义…………………………………14

3.2.1工程建立……………………………………………14

3.2.2变量分配……………………………………………15

3.2.3变量定义步骤………………………………………17

3.2.4设备和变量连接………………………………………19

3.3工程画面建立……………………………………………22

3.3.1监控画面制作………………………………………24

3.3.2运行策略建立及脚本程序编写…………………26

3.4动画连接…………………………………………………31

3.4.1指示灯动画连接……………………………………31

3.4.2机械手动画连接……………………………………33

3.5组态运行……………………………………………………37

结论…………………………………………………………………38

致谢…………………………………………………………………39

参考文件……………………………………………………………40

附录A系统步骤图…………………………………………………41

附录B硬件接线图…………………………………………………42

摘要

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套Windows平台、用于快速结构和生成上位机监控系统组态软件系统。

MCGS为用户提供了处理实际工程问题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、步骤控制、动画显示、趋势曲线和报表输出和企业监控网络等功效。

MCGS在机械手控制系统中应用。

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、清楚、正确机械手运行状态，进而为维修和故障诊疗提供了多方面可能性，充足提升了系统工作效率。

MCGS含有操作简便、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课题研究目标及意义

机械手是工业自动化领域中常常碰到一个控制对象。

多年来伴随工业自动化发展机械手逐步成为一门新兴学科，并得到了较快发展。

机械手广泛地应用和锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。

尤其是在粗笨、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣劳动环境中，机械手因为其显著优点而受到尤其重视。

总而言之，机械手是提升劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化一个关键手段。

中国外全部十分重视它应用和发展。

MCGS是一套用于快速结构和生成计算机监控系统组态软件，它能够在基于Microsoft多种32位Windows平台上运行，经过对现场数据采集处理，以动画显示、报警处理、步骤控制和报表输出等多个方法向用户提供处理实际工程问题方案，在自动化领域中有着广泛应用。

本设计经过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手动作过程进行了动画显示，使机械手动作过程愈加形象化。

1.2中国外机械手研究概况

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年发展，现在已经成为制造业生产自动化中关键机电设备。

现在，正式投入使用绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。

这代机械手基础上采取点位控制系统，没有感觉外界环境信息感觉器官，关键用于焊接、喷漆和上下料。

第二代机械手含有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但能够依据外界环境信息对控制程序进行校正。

这代机械手通常采取接触传感器一类简单传感装置和对应适应性算法。

现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境和对象物，并含有对复杂信息进行正确处理，对自己行为做出自主决议能力智能化机械手。

它能识别景物，含有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多个感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多个仿生动作，含有教授知识、语音功效和自学能力等人工智能。

现在机械手技术有了新发展：

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（不仅能够进行事先设定动作，还可根据工作情况对应地进行动作，如回避障碍物移动，作业次序计划，有效动态学习等）。

机械手应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，而且蓬勃发展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以下多个发展趋势。

机械手性能不停提升，而单机价格不停下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展；传感器作用日益关键；虚拟现实技术在机械手中作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

中国方面：

现在在部分机种方面，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）基础掌握了机械手操作机设计制造技术，处理了控制驱动系统设计和配置，软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周围配套设备全套自动通信、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，中国已经含有了独立自主发展中国机械手技术基础。

2机械手控制方法选择和可编程序控制器介绍

2.1机械手控制方法选择

2.1.1控制方法分类

传统工业设备自动控制关键由继电器或分立电子线路来实现，这种控制方法投资相对少部分，现在仅在部分旧式、简单工业设备中还有一定市场，但该控制方法却有以下致命缺点：

（1）仅适合于简单逻辑控制；

（2）仅适合特殊工程项目，而没有通用性；（3）没有改动和优化可能性。

伴伴随工业自动化技术快速发展，中国工业领域自动化已经基础实现了从继电器控制到计算机控制转变，计算机控制方法含有以下两个特点：

（1）硬件上最少有一个微处理器；

（2）经过软件实现控制思想。

现在，工业自动化领域比较经典控制方法有：

（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

本设计中使用传感器有控制机械手行程位置行程开关和用于检测大小球压力传感器。

2.2.1行程开关

行程开关又称限位开关，能够安装在相对静止物体（如固定架、门框等，简称静物）上或运动物体（如行车、门等，简称动物）上。

当动物靠近静物时，开关连杆驱动开关接点引发闭合接点分断或断开接点闭合。

由开关接点开、合状态改变去控制电路和机构动作。

行程开关关键用于将机械位移转变成电信号，使电动机运行状态得以改变，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。

直动式行程开关优点是结构简单，成本低，但轻易烧蚀触头；滚动式行程开关克服了直动式行程开关缺点，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，适适用于小型机构中使用。

本设计选择LX19-K行程开关。

LX19系列行程开关，适适用于交流50Hz，电压至380V，直流电压至220V，约定发烧电流至5A控制电路中，动作行程1.5~3.5mm，作控制运动机构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照以下多个标准。

1、依据测量对象和测量环境确定传感器类型

要进行—个具体测量工作，首先要考虑采取何种原理传感器，这需要分析多方面原因以后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多个原理传感器可供选择，哪一个原理传感器更为适宜，则需要依据被测量特点和传感器使用条件考虑以下部分具体问题：

量程大小；被测位置对传感器体积要求；测量方法为接触式还是非接触式；信号引出方法，有线或是非接触测量。

2、灵敏度选择

通常，在传感器线性范围内，期望传感器灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，和被测量改变对应输出信号值才比较大，有利于信号处理。

但要注意是，传感器灵敏度高，和被测量无关外界噪声也轻易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

所以，要求传感器本身应含有较高信噪比，尽可能降低从外界引入干扰信号。

传感器灵敏度是有方向性。

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传感器；假如被测量是多维向量，则要求传感器交叉灵敏度越小越好。

3、频率响应特征

传感器频率响应特征决定了被测量频率范围，必需在许可频率范围内保持不失真测量条件，实际上传感器响应总有—定延迟，期望延迟时间越短越好。

传感器频率响应高，可测信号频率范围就宽，而因为受到结构特征影响，机械系统惯性较大，因有频率低传感器可测信号频率较低。

在动态测量中，应依据信号特点（稳态、瞬态、随机等）响应特征，以免产生过火误差。

4、线性范围

传感器线性范围是指输出和输入成正比范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器线性范围越宽，则其量程越大，而且能确保一定测量精度。

在选择传感器时，当传感器种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器全部不能确保绝正确线性，其线性度也是相正确。

当所要求测量精度比较低时，在一定范围内，可将非线性误差较小传感器近似看作线性，这会给测量带来极大方便。

5、稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不改变能力称为稳定性。

影响传感器长久稳定性原因除传感器本身结构外，关键是传感器使用环境。

所以，要使传感器含有良好稳定性，传感器必需要有较强环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并依据具体使用环境选择适宜传感器，或采取合适方法，减小环境影响。

传感器稳定性有定量指标，在超出使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器性能是否发生改变。

在一些要求传感器能长久使用而又不能轻易更换或标定场所，所选择传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间考验。

结合以上几点，选择US300高性能不锈钢压力传感器，其含有高精度（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（长久稳定性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在机械手控制中应用

3.1MCGS概述

3.1.1MCGS介绍

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是北京昆仑通态自动化软件科技研发一套用于快速结构和生成计算机监控系统组态软件。

它能够在基于Microsoft多种32位Windows平台上运行，经过对现场数据采集处理，以动画显示、报警处理、步骤控制和报表输出等多个方法向用户提供处理实际工程问题方案，在自动化领域有着广泛应用。

其关键特征和功效大致为：

含有简单灵活可视化操作界面、实时性强、有良好并行处理性能、有丰富生动多媒体画面、开放式结构、广泛数据获取和强大数据处理功效、完善安全机制、强大网络功效、多样化报警功效、支持多个硬件设备、方便控制复杂运行步骤、良好可维护性和可扩充性、设置对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统分布式控制和管理等等[14]。

3.1.2MCGS组成

MCGS系统包含组态环境和运行环境两个部分。

用户全部组态配置过程全部在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整工具软件，它帮助用户设计和结构自己应用系统。

用户组态生成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运行系统，它根据组态结果数据库中用户指定方法进行多种处理，完成用户组态设计目标和功效。

运行环境本身没有任何意义，必需和数据库一起作为一个整体，才能组成用户引用系统。

组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境过渡，它们之间关系图3.1所表示。

图3.1组态环境和运行环境关系图

由MCGS生成用户应用系统，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，图3.2所表示。

图3.2MCGS用户应用系统结构图

3.1.3MCGS关键特征和功效

（1）简单灵活可视化操作界面；

（2）实时性强、良好并行处理性能；

（3）丰富、生动多媒体画面；

（4）开放式结构，广泛数据获取和强大数据处理功效。

MCGS系统由五大功效模块组成，关键功效模块以构件形式来结构，不一样构件有着不一样功效，且各自独立。

三种基础类型构件（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、动画显示和步骤控制）全部工作。

除此以外，MCGS还提供了一套开放可扩充接口，用户可依据自己需要用VB、VC等高级开发语言，编制特定构件来扩充系统功效。

MCGS用数据库来管理数据存放，系统可靠性高。

MCGS设置对象元件库，组态工作简单方便，易于实现对工控系统分布式控制和管理。

3.1.4MCGS编程语言

MCGS全汉字组态软件，采取C++语言编制，关键为组态结构。

构架合理、连接灵活，结构层次清楚，方便用户定制开发。

它是基于WIN95/98/NT视窗结构，能够快速结构和生成数据管理、报警处理、步骤控制、动画显示、报表输出等界面，轻松实现多种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程诊疗等功效优异软件。

MCGS组态软件采取Basic脚本语言编程，含有强大图形化步骤策略组态工具，使编程工作降到最少，令用户爱不释手。

MCGS全汉字组态软件能支持现在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数据结构

MCGS数据库管理功效强大，分为数据前处理（能够对设备采集进来数据进行多个数值处理）、数据后处理（可经过多种内部函数、运算符、脚本程序对实时采集数据进行处理）、实时数据处理（提供数据浏览，多种曲线、报表等功效构件，对存盘数据库数据进行查询、排序、运算等操作），同时能够挂接外部数据库，实现ODBC接口和OLE实时调用，能够和SOL、Server、Oracle、Access等数据库相连，提供多个数据转换方法，每种方法全部能够独立使用或组合使用。

数据浏览构件可同时以表格和曲线形式显示存盘数据库中数据，实时曲线能够动态显示目前数据，并能够设定上下限值和时间长短，方便于用户查询，同时提供EXCEL报表和MCGS自由报表。

3.1.6MCGS作用

MCGS全汉字组态软件是真正32位程序，支持多任务、多线程，提供近百种绘图工具和基础图符。

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，包含温控曲线、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全汉字组态软件可完整实现ODBC接口，可和SQLServer、Oraver、Oracle、Access等关键数据库相连，可实现多种复杂报表，并以不一样方法增加、删除数据库中统计，支持CAN、PROFIBUS、HART、LONWORKS等多个现场总线。

它还含有强大网络功效，支持TCP/IP、MODEM、485/422/232等多个网络数据传输方案，提供4级安全保密机制。

工程组态软件MCGS最大优点是组态方便，它融会了中外工控组态软件众多优点，只要是稍具外语常识，即能够方便组态。

3.2工程建立和变量定义

3.2.1工程建立

（1）单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认工程名为：

“新建工程0.MCG”。

（2）选择文件菜单中“工程另存为”菜单项，弹出文件保留窗口。

（3）在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保留”按钮，工程创建完成。

图3.3所表示。

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工程数据交换和数据处理中心。

数据对象是组成实时数据库基础单元，建立实时数据库过程也就是定义数据对象过程。

定义数据对象内容关键包含：

指定数据变量名称、类型、初始值和数值范围确定和数据变量存盘相关参数，如存盘周期、存盘时间范围和保留期限等。

3.2.2变量分配

在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要变量。

本系统最少需要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，所以上升等多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

开启

开关型

0

机械手开启控制信号，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

定时器开启

开关型

0

控制订时器开启，1开启，0停止

定时器复位

开关型

0

控制订时器复位，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，不然为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变量定义步骤

（1）单击工作台中“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，图3.4所表示。

窗口中列出了系统已经有变量“数据对象”名称。

其中一部分为系统内部建立数据对象。

现在要将表中定义数据对象添加进去。

（2）单击工作台右侧“新增对象”按钮，在窗口数据对象列表中，增加了一个新数据对象，图3.5所表示。

（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：

开启；“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：

机械手开启信号，SB1输入，1有效。

（5）单击“确定”。

图3.6所表示。

（6）根据步骤2~5，依据上面列表，设置其它数据对象。

（7）单击“保留”按钮。

图3.6数据对象属性设置窗口

3.2.4设备和变量连接

（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“工具箱”

图标，打开“设备工具箱”。

（3）单击“设备工具箱”中“设备管理”按钮，弹出图3.7所表示窗口。

（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“模拟设备”添加到右侧选定设备列表中。

（7）单击确定并保留。

（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，图3.8所表示。

（9）双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口，图4.9。

（10）设置内部属性完成以后单击确定，完成内部属性设置。

（11）单击保留，完成设备和变量连接。

图3.7设备管理

图3.8设备组态窗口

图3.9设备属性设置窗口

3.3工程画面建立

（1）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮