基于组态的机械手控制系统课程设计论文

吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第1页共16页第1章绪论1.1组态王软件简介本系统采集控制软件选用中国本土软件厂商北京亚控科技发展有限公司生产的，国内最早的商用组态软件“组态王”。截止到2009年底，“组态王”已在国内装机量有10万套，成功地应用于我国工业领域的各行各业，例如石油、化工、电力、冶金、造纸、橡胶、环保、机械制造等等，在中国使用的监控软件中，组态王拥有国内最多的用户。像国外众多的软件一样，组态王软件也经过了一个发展例程：1995年——组态王V1.0，1996年——组态王V1.21997年——组态王V1.51，1998年——组态王V2.0，1999年——组态王V5.1，2000年——组态王V5.1forInternet，2001年——组态王V6.0、组态王电力专业版6.0，2002年——组态王V6.02，2003年——组态王V6.5，2005年——组态王V6.51，2006年——组态王V6.52，2007年——组态王V6.53。1.2组态王的特点(1)丰富的I／O。将组态王和驱动程序整合在一起，通用性强，含有多种I／O驱动程序，能与较多的PLC通信，并且通信可靠。(2)报警和事件系统。组态王报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。(3)安全系统。组态王采用分级和分区保护的双重保护策略，对新增用户组和安全区管理、999个不同级别的权限和64个安全区形成双重保护，另外组态王能记录程序运行中操作员的所有操作。1.3用途在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第2页共16页FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念，人们只是不这么叫而已。如AutoCAD，办公软件(PowerPoint)都存在相似的操作，即用软件提供的工具来形成自己的作品，并以数据文件保存作品，而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎，要根据这些组态结果实时运行。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。1.4使用组态王软件开发具有以下几个特点(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第3页共16页第2章机械手系统的设计2.1机械手介绍机械手是一种能模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。可编程控制器是以微处理技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器。它在工业现场中对机械手能起到有效而灵活的控制。可编程控制器和监控系统的通讯，往往需要采用高级语言编程实现，对用户有着很高的要求。这需要用户必须熟悉互联的可编程控制器及其网络采用的通讯协议，严格按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序。然而，用户希望监控系统具有界面简单、便于操作、实时性好、开发周期短和可移植性强等特点。组态技术在数据处理、网络通讯和图形界面等方面给监控系统提供了有力的支持。机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。2.2分析机械手控制系统的控制要求。机械手具有启动、停止、移动、抓、放等功能。机械手操作人员可以通过启动、停止按钮来控制机械手的启动和停止。移动和抓、放功能通过内在程序自动完成。机械手的动作有如下过程：（1）当按钮启停调整为开始时，机械手开始动作。（2）机械手下放，（包括伸缩杆、抓）（3）机械手抓物体。吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第4页共16页（4）机械手与物体一起上台，（包括伸缩杆、抓、物体）（5）机械手与与物体一起平移，（包括伸缩杆、抓、物体）（6）机械手与物下放，（包括伸缩杆、抓、物体）（7）机械手上并回到原点吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第5页共16页第3章基于组态机械手系统设计3.1组态在机械手中的应用组态软件又称上位机管理软件，广泛应用于工业领域，它提供了灵活的组态工具，人机交互界面好，能充分实现工业各领域的管理控制、数据采集、连续控制及统计过程控制。本次设计充分运用组态王的仿真功能实现人机的交流，以达到对机械手的控制。3.2机械手的组态画面设计3.2.1建立组态工程运行组态环境，在“组态王”工程管理器(Proj—Manager)选择选单“文件＼新建工程”或单击“新建”按钮。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览⋯”按钮后在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。单击“完成”完成工程的新建。3.2.2定义数据变量数据库是”组态王”软件的核心部分，在工程管理器中，选择”数据库＼数据词典”，双击”新建图标”，弹出”变量属性”对话框，创建机械手各个变量数据，数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量名称、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。数据对象有I／O开关型、I／O数值型、I／O字符型、内存开关型等8种类型。不同类型的数据对象，属性不同，用途也不同。设计中的数据变量：开关（内存整数）、时间（内存整数）、垂直移动（内存整数）、水平移动（内存整数）、夹起（内存离散）、物块（内存整数）、物块水平（内存整数）、传送带（内存整数）、上（内存离散）、下（内存离散）、左（内存离散）、右（内存离散）、吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第6页共16页电机（内存离散）。变量的设置如图3-1图3-1变量设置在基本属性页中输入变量名为“开关”，变量类型设置为“内存离散”，再点击确定按钮即完成第一个变量的定义。同理，还需要定义“上行下行”、“左行右行”、“物块的上行下行”，变量类型为“内存实数”等等。所有变量如图3-2图3-2变量设置吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第7页共16页3.2.3系统界面设计在组态王平台上建立“机械手控制系统”窗口并设置好窗口属性。通过绘图工具箱中的工具，绘制出组建系统所需的各个元件，调用系统控件制作控制按钮，利用文字标签对相应元件进行注释。最后生成的整体效果图如图3-3所示：图3-3整体效果图3.2.4机械手的工作过程按下开始按钮装置开始工作，机械手首先做下降运动，待下降到位后，机械手张开手指抓取物品(抓紧物品时间由定时器确定)；然后机械手上升到最上端(由上限位开关确定)，再向右运动；到达右端后，机械手开始下降，下降到位后机械手松开，放下物品；再将机械手上升，如此循环提取物品。机械手工作过程流程如图3-4所示：吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第8页共16页图3-4机械手工作过程流程图3.2.5控制系统程序的编程单击“变量【域】”按钮,弹出变量选择对话框，选择\\本站点\开关变量，再按“确定”按钮，自动输入“命令语言编辑器”区，在变量后输入“=1”即可，同理实现“停止”变量的等等。如图3-5垂直下=垂直下+10;下行=1;垂直下=垂直下-10;\\本站点\垂直上=垂直上+10;行=1时间63&&时间=65夹紧显示=0;下行=0；放=1;夹紧物体=夹紧物体-10;夹紧旋转=夹紧旋转-10;水平左=水平左-10;旋转=旋转+10;水平右=水平右+10;左=1;上行=0;电机旋转=1;时间=0;垂直下=0;垂直上=0;夹紧物体=0;夹紧旋转=0;水平左1=0;水平右=0;左1=0;电机旋转=0;\\本站点\旋转=0开始时间+1结束垂直下=垂直下+10;垂直上=垂直上-10;下行=1;右1=0下行=0;夹紧显示=1;夹紧物体=夹紧物体+10;夹紧旋转=夹紧旋转+10;吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第9页共16页图3-5应用程序命令语言3.2.6动画连接由图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。组态王实现图形动画设计的主要方法是将用户窗1：3中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。机械手水平移动与垂直移动的参数如下图3-6所示。吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第10页共16页图3-6机械手水平移动与垂直移动的参数夹子加紧与放松的参数如下图3-7所示。图3-7夹子加紧与放松的参数传送带旋转移动的参数如下图3-8所示。吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第11页共16页图3-8传送带旋转移动的参数开关按钮的参数如下图3-9所示。图3-9开关按钮的参数夹起指示灯的参数如下图3-10所示。吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第12页共16页图3-10夹起指示灯的参数3.2.7系统的运行于调试机械手控制系统的界面设计、关联变量和程序编制完成后，就程序进行调试，最后完成的系统运行效果图如下图3-11、3-12图3-11系统运行效果图吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第13页共16页图3-12系统运行效果图吉林建筑工程学院城建学院电气信息工程系自动化专业设计（论文）第14页共16页总结课程设计主要内容：熟悉所用组态软件的操作、查看有关参考书籍、查阅相关文献资料、独立设计基于组态软件的机械手的控制方案、根据实际系统的要求，进行简单的画面设计与编辑，简单控制程序的编写，设定动画连接等功能、进行程序的运行，调试与改进。设计主要任务：了解机械手的控制要求、确定系统的控制方案、利用组态软件编制监控系统图形界面、建立实时数据库、画面的图形对象与数据库的数据变量之间的关系、编制程序实现对机械手以及物品的控制和监视