毕业设计（论文）基于组态软件实现机械手的监控系统

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1、 基于组态软件实现机械手的监控系统 摘要 在自动化领域很多都用到了监控系统，这样就能使工人不用在现场监控就能了解生产线上 的运转状况了，大大挺高了生产效率，减少了人员开支，也降低了人员伤亡的发生，对企业的 效益有很大的提高。本文阐述了基于组态软件的机械手监控系统，该系统提供了灵活的组态工 具，人机交互界面好 能方便地获取和存储机械手模型位置和状态信息，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，它既能够满足装配作业内容改变频繁的重 复操作，又能加大生产效益，降低人身事故发生，且该系统还具有实时数据采集、报表输出、 预报报警分析、便于升级扩充等功能。 关键词：组态；机械手

2、；控制 Abstract Many of them are used in the automation of the monitoring system, so as to enable workers to know the production line without having to monitor at the scene on the running situation, significantly higher productivity, reduced personnel expenses, reducing casualties occurred, on the effi

3、ciency of enterprises have greatly improved. This article explained has based on group State software of manipulator monitoring system, the system provides has flexible of group State tools, human-computer interaction interface good can convenient to gets and storage manipulator model location and s

4、tate information, can full implementation industrial the area of management control, and data acquisition, and continuous control and the statistics process control, it both to meet Assembly job content change frequently of repeat operation, and can increased production benefit, reduce personal acci

5、dent occurs, and the system also has real-time data acquisition, and report output, and forecast alarm analysis, and 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 1 easy upgrade expanded, function. Key words：configuration；manipulator ；controlit 目录 基于组态软件实现机械手的监控系统 .1 摘要 .1 引言 .3 第一章 绪论 .4 1.1 本课题研究的意义 .4 1.2 本课题研究的背景 .

6、4 1.3 本课题研究的内容 .5 第二章 机械手 .5 2.1 机械手的动作过程分解 .5 2.2 欧姆龙 PLC 的 I/O 分配表及通讯连接表 .6 第三章 机械手组态画面的设计和完成后的工作状态 .8 3.1 机械手组态画面的设计 .8 3.2 机械手组态画面的属性设置 .10 3.3 组态画面实时数据库创建 .15 3.4 组态画面动态效果/脚本程序 .16 第四章 机械手组态画面的监控与 PLC 连接 .20 4.2 通讯设备属性设置 .21 4.3 通讯设备端口连接 .22 4.4 通讯连接测试 .23 第五章 机械手组态画面运行结果 .24 结论 .25 参考文献 .26 致谢

7、 .27 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 2 引言 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它是工业机器人的一个重 要分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各 自的优点，尤其体现了人的职能和适应性。 在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高 技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，因而更加促进了机械手的发展，使得机械手能 更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能 不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举力量大的特点，因此，机械手已受到

8、许多部 门的重视，并越来越广泛的得到应用，而且在某些方面机械手已经逐渐取代了人类劳动。 全中文工业自动化控制组态软件( Mon itor andCon tro lGenerated System, MCGS) 是一 套基于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, 集动画显示、流 程控制、数据采集、设备控制与输出企业监控网络等功能, 广泛应用于工程领域，用MCGS系统 来实现机械手图形仿真系统的机械手,就得到了更加广泛的运用，它提供的灵活的组态工具，人 机交互界面好 能方便地获取和存储机械手模型位置和状态信息，能充分实现工业各领域的管理 控制、数据采集、连续控制及

9、统计过程控制，它既可以用于实际生产, 能够满足装配作业内容 改变频繁的重复操作; 又可以用于科学实验和科学研究, 它能够使人直观地了解机器人结构组 成、动作原理等, 所以MCGS开发设计和研究机械手具有比较广泛的实际意义和应用前景。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 3 第一章 绪论 1.1 本课题研究的意义 组态是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先 设置、自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。这是一个通过专用软件定义系统的过程。 组态软件能利用系统软件提供的工具，通过简单形象的组态工作构成系统。组态软件具有 用户可订制的功能，能开发可

10、编程控制器的控制对象；还具有强大的通讯功能，可以通过RS232 接口和可编程控制器之间进行通讯，并监控可编程控制器的所有存储器、控制器及IO接口的 状态，以变量值形式传输到计算机上，供上位机使用、处理。正如文献所述：组态软件能以灵 活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和间接的使用方法，具有实时多任务、接口开放、 使用灵活、功能多样和运行可靠的特点。 本课题对机械手的研究是在工业机械手的基础上，加上MCGS软件对其进行监控，使其在作 业时更加人性化、经济化、智能化、现代化。 1.2 本课题研究的背景 自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益 拓展，用户

11、和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。 监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来 的。在整个工业自动化软件中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动 化、信息化、智能化以及社会信息化带来深远的影响，它带动着整个社会生产、生活方式的发 展与变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还 没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论 研究机构。所以说，监控软件的发展前景还是很广大的。我们要致力于此领域的不断研究，尽 快地使我国的监控组态软件与世界

12、的高科技接轨，从而促进我们国民经济的更好，更快发展。 1.3 本课题研究的内容 本问设计的机械手主要内容就是设计出一款利用MCGS工程组态软件使静止的机械手动态化, 特别是通过编写脚本程序实现了对机械手的定时控制, 建立了实时监控系统, 使机械手在利用 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 4 MCGS软件对机械手的作业动作状态实施监视与控制时，能方便地获取和存储机械手模型位置和 状态信息，使机械手在工业中发挥更加有效的作用, 大大提高工作者的工作效率，而且在增加 效率的同时也大大减少了人力资源和人员伤亡，使企业的效益大大的增加，这样的机械手，将 会更加经济、快捷和实用。从本质上

13、提高工业的生产效率，使其创造出更大的产值。 第二章 机械手 2.1 机械手的动作过程分解 从 原 点 开 始 ， 按 下 启 动 按 钮 时 ， 下 降 电 磁 阀 通 电 ， 机 械 手 下 降 。 下 降 到 底 碰 到 下 限 位 开 关 ， 下 降 电 磁 阀 断 点 ， 机 械 手 下 降 停 止 ； 同 时 接 通 夹 紧 电 磁 阀 ， 机 械 手 夹 紧 。 夹 紧 后 ， 上 升 电 磁 阀 通 电 ， 机 械 手 上 升 。 上 升 到 顶 时 ， 碰 到 上 限 位 开 关 ， 上 升 电 磁 阀 断 点 ， 机 械 手 上 升 停 止 ； 同 时 接 通 右 移 电 磁

14、 阀 ， 机 械 手 右 移 。 右 移 到 位 时 ， 碰 到 右 限 位 开 关 ， 右 移 电 磁 阀 断 点 ， 机 械 手 右 移 停 止 若 此 时 工 作 台 上 无 工 件 ， 则 光 电 开 关 接 通 ， 同 时 下 降 电 磁 阀 通 电 ， 机 械 手 下 降 。 下 降 到 底 时 ， 碰 到 下 限 位 开 关 ， 下 限 位 电 磁 阀 断 点 ， 机 械 手 停 止 下 降 ； 同 时 夹 紧 电 磁 阀 断 点 ， 机 械 手 放 松 ； 放 松 后 ， 上 升 电 磁 阀 接 通 ， 机 械 手 上 升 。 上 升 到 顶 时 ， 碰 到 上 限 位 开 关

15、 ， 上 升 电 磁 阀 断 点 ， 上 升 停 止 ； 同 时 接 通 左 移 电 磁 阀 ， 机 械 手 左 移 ， 左 移 到 原 点 时 ， 碰 到 左 限 位 开 关 。 左 移 电 磁 阀 断 点 ， 左 移 停 止 。 此 时 ， 机 械 手 经 过 8 步 动 作 完 成 一 个 周 期 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 5 图 2 机械手的动作示意图 图 3 机械手动作分析图 2.2 欧姆龙 PLC 的 I/O 分配表及通讯连接表 序 输入地址 说明 序 输入地址 说明 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 6 号 号 1 0.00 启动 11

16、 0.10 上料气缸下限位 2 0.01 停止 12 0.11 物料检测（光电） 3 0.02 手爪夹紧传感器 13 1.00 推料一气缸后限位 4 0.03 旋转左限位（接近） 14 1.01 推料一气缸前限位 5 0.04 旋转右限位（接近） 15 1.02 推料二气缸后限位 6 0.05 伸出臂前点 16 1.03 推料二气缸前限位 7 0.06 缩回臂后点 17 1.04 电感式传感器（推料 1 气缸） 8 0.07 提升气缸上限位 18 1.05 电容式传感器（推料 2 气缸） 9 0.08 提升气缸下限位 19 1.06 传送带物料检测光电传感器 10 0.09 上料气缸上限位 2

17、0 序 号 输出地址 说明 序 号 输出地址 说明 1 100.00 送料电机 10 101.01 推料一气缸（伸出） 2 101.04 上料电磁阀 11 101.03 推料二气缸（缩回） 3 100.02 臂气缸伸出 12 101.02 推料二气缸（伸出） 4 100.03 臂气缸返回 13 101.05 手爪夹紧 5 100.04 提升气缸下降 14 101.06 停止指示 6 100.05 提升气缸上升 15 100.07 启动指示 7 100.06 旋转气缸正转 16 101.01 8 100.07 旋转气缸反转 17 变频器正转 变频器低速度 9 101.00 推料一气缸（缩回） 1

18、8 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 7 通讯连接输入 通讯连接输出 0.00 100.04 0.01 100.05 100.06欧姆龙 PLC 100.07 star down stop up right 组态 left 第三章 机械手组态画面的设计和完成后的工作状态 MCGS(Monitor and Control Generated System， 监 视 与 控 制 通 用 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 基 于 Windows 平 台 的 ， 用 于 快 速 构 造 和 生 成 上 位 机 监 控

19、 系 统 的 组 态 软 件 系 统 ， 主 要 完 成 现 场 数 据 的 采 集 与 监 测 、 前 端 数 据 的 处 理 与 控 制 ， 可 运 行 于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp 等 操 作 系 统 。 它 的 主 要 功 能 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 、 丰 富 、 生 动 的 多 媒 体 画 面 、 完 善 的 安 全 机 制 、 强 大 的 网 络 功 能 、 多 样 化 的 报 警 功 能 、 实 时 数 据 库 为 用 户 分 步 组

20、 态 提 供 极 大 方 便 、 支 持 多 种 硬 件 设 备 ， 实 现 “设 备 无 关 ”、 方 便 控 制 复 杂 的 运 行 流 程 、 良 好 的 可 维 护 性 、 用 自 建 文 件 系 统 来 管 理 数 据 存 储 ， 系 统 可 靠 性 更 高 和 设 立 对 象 元 件 库 ， 组 态 工 作 简 单 方 便 ， 下 面 是 利 用 组 态 的 机 械 手 的 监 控 系 统 。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 8 3.1 机械手组态画面的设计 在 MCGS 组态平台，单击“用户窗口” ， “在用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新 “窗口 0

21、”，选中“窗口 0”，单击“窗口属性” ， “进入窗口属性设置” ，将“窗口名称”改为： 机械手；将“窗口标题”改为：机械手；在“窗口位置”中“最大化显示” ，如下图。 图 5 新建窗口图 选中刚创建的“机械手”用户窗口，单击“动画组态” ，进入动画制作窗口。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 9 图 6 组态画面创建图 3.2 机械手组态画面的属性设置 创建好画面后对画面进行属性设置，这里先介绍机械手的设置，双击机械手进入单元属性 如下图。 （注：第一个图原名设置与其它几个相同） 图 7 组态画面属性设置 进入动画连接，点击 进入动画组态属性设置进行水平移动设置，如下图。

22、浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 10 图 8 动画组态属性设置 根据上面的操作对组态画面的画面进行相同的操作，如图所示。 （注：右爪同左爪） 图 9 左爪的动态属性设置设置 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 11 图 10 物体的动态属性设置设置 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 12 图 11 启动、停止属性设置 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 13 图 12 最初的上升、下降标志设置 图 13 左移、右移标志设置 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 14 图 14 最后的上升、下降标志设置 3.3

23、组态画面实时数据库创建 在制作动画时，要先写好实时数据库，如图所示，单击新增对象，就可新增数据变量了。 下图为机械手实时数据库。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 15 图 15 数据库变量图 3.4 组态画面动态效果/脚本程序 进入运行策略，点击循环策略，进入策略组态，如下图。 图 16 运行策略图 图 16 策略组态图 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 16 在空白处右键点击，选择新建策略行，如下图。 图 17 策略运行图 再在空白处右键点击，选择策略工具箱，如下图。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 17 图 18 策略工具箱图 在策

24、略工具箱中点中脚本程序拖到方框中，如下图。 图 19 脚本程序创建图 双击脚本程序就可以编写脚本程序了，如下图所写。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 18 图 20 脚本程序写入图 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 19 第四章 机械手组态画面的监控与 PLC 连接 设备窗口组态, 设备窗口是 MCGS 系统的重要组成部分, 负责建立系统与外部硬件设备的连 接, 使得 MCGS 能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态, 实现对工业过程的实时监控。 在“设备工具箱”中选择“欧姆龙 Hostlink”, 进行设备窗口属性设置。在“设备调试”选项 卡中,“

25、通讯状态标志”栏中, 若显示“0”则表示通讯正常, 若显示“- 1”则表示通讯不正常。 如下图新增“设备 0-串口通讯父设备”和“设备 1-欧姆龙 Hostlink”后，进行设置。 4.1 通讯设备选型 在设备窗口中设置参数和通讯连接，如下图所示。 图21 设备窗口图 右键单击，选中设备工具箱，点击设备管理，在设备管理选择要通讯的设备型号，如下图所示。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 20 图22 设备管理设备选择图 4.2 通讯设备属性设置 选择好要通讯的设备的设备后，双击进入进行属性设置，如下图。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 21 图23 设备属

26、性设置图 4.3 通讯设备端口连接 在通道连接中点击快速连接，把与PLC要连接的I/O点创建好，如下图所示。 图24 通道连接设置图 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 22 4.4 通讯连接测试 创建好后在设备调试中看是否通讯连接正常（注：0通讯连接正常，1通讯连接 失败） ，如下图所示。 图25 通讯连接测试图 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 23 第五章 机械手组态画面运行结果 现场机械手运行动作 组态画面机械手运行动作 机械手启动、停止控制 可由组态设置的开关来控制。 当机械手伸臂时 画面显示机械手不动。 当机械手下移抓取物体时 画面显示机械手抓取物

27、体动作。 当机械手上移时 画面显示机械手上移。 当机械手缩臂时 画面显示机械手不动。 当机械手右移时 画面显示机械手右移。 当机械手伸臂时 画面显示机械手不动。 当机械手下移放开物体时 画面显示机械手下移放开物体。 当机械手复位从新开始时 画面显示机械手复位从新开始。 当机械手发生故障时 画面显示机械手那部位出现故障。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 24 结论 组态技术在机械手控制系统中的应用使得对机械手运行情况能进行有效、实时、便捷的监 控。本文的创新点包括：首先，基于组态技术的机械手控制既保证了生产的安全性和高效性， 同时还减轻了工作人员的劳动强度。其次，由于选用的组

28、态软件具有良好的扩展性和与设备无 关性，在工业现场设备和控制要求进行更改时，能快速的完成控制系统的修改。最后，基于组 态技术的机械手控制系统还充分发挥了两级分布式系统的优势。上位机具有便捷的计算、图形、 控制和操作能力，强大的数据管理能力。下位机可编程控制器具有优良的控制驱动能力、健壮 的工业现场适应性和对实时事件的及时处理能力。 本文利用MCGS工程组态软件使静止的机械手动态化, 特别是通过编写脚本程序实现了对机 械手的定时控制, 建立了实时监控系统, 使机械手控制更加直观, 人机界面友好, 大大提高工 作者的工作效率。 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 25 参考文献 1

29、李瑞先.组态王软件在监控系统中的应用J.电器传动自动化，2006， 28（5）：49-51. 2北京亚控科技发展有限公司.组态王 Version65 用户手册Z.2003.32-45. 3温照方.SIMATICS7-200 可编程序控制器教程M.北京：北京理工大学出版 社，2002.8-12. 4袁川来.基于 S7200 的多关节机械手的 PLC 控制J.现代电子技术， 2006，29（7）：113- 5李冬清.S7-200 系列 PLC 与监控计算机通信实现方法J.冶金动力， 2005， （5）：91-92. 6张万忠.可编程控制器应用技术M.化学出版社，2002 7贾贵礼.组态软件控制技术

30、M.北京理工大学出版社，2007 8廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用M.机械工业出版社，2005 9WWW.JXCAD.COM.CN 浙江机电职业技术学院电气电子工程学院毕业设计说明书 26 致谢 这次的毕业设计是学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整 的基于组态软件的机械手监控系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结 合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文 献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对 局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志 品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这次毕业设计可以顺利的完成并得到各 方面的提升，得益于导师梁方英老师和黄忠慧老师的精心指导。从论文的选题到课题研究工作 的展开，论文的撰写与修改，无不凝聚着梁老师的精心指导。梁老师渊博的知识，严谨求实的 治学态度，敏锐的学术洞察力，对学术的不断追求和创新使本人终生受益。在此，对梁方英老 师和黄忠慧老师表示衷心感谢和诚挚的敬意 在本课题的研究过程中，同学也给予了很多的提示和帮助，本人在此表示感谢。最后，向 所有在大学阶段关心和帮助过我的老师，同学和朋友表示衷心的感谢。