基于MCGS和PLC的机械手控制系统设计毕业设计.docx
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基于MCGS和PLC的机械手控制系统设计毕业设计
毕业设计（论文）
基于MCGS和PLC的机械手控制系统设计
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
机电一体化技术
摘要
当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。
在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。
机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。
工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。
可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。
在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及PLC的研究发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。
研究了基于PLC的机械手模型控制系统的设计，还研究了MCGS在机械手控制系统中的应用。
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、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。
关键词：
机械手，PLC，MCGS
ABSTRACT
Intoday'ssociety,scienceandtechnologyrapiddevelopment,humanactivitiescreateworldahugechange.Inthemeanwhile,technologicalprogressinvariouscontrollersdifferenttypesofmanipulatorwithitsoutstandingperformancemoreandmoreusedbypeople.Thehomeworkindifferentoccasionsmanipulator,especiallyinthespecialenvironmentcontextforthehumanactivityquicklysmoothlycausedgreatconvenienceandbenefit,particularlyobviousintheindustrialandmilitaryfield.IndustriallargeNumbersofproductionactivity,therearemanynotitiseasyforhumanstomanipulatethelink,especiallyinabusinessenvironmentisdangeroussituation,ifusehasremotecontrolfunctionsmaybeincreasedmanipulator,thesecurityofthesystem,bigsaveloss,improveefficiency.Visible,inautomation,theprocessofindustrialization,inspecialbackgroundenvironmentusingmanipulatorhasbecomeaninevitabletrend..
InthisdesignthepresentconditionofresearchaboutdomesticandinternationalmanipulatoranddevelopmenttrendofresearchconcerningPLCwereintroduced.Theprincipleofworkandtheprocessofaction’srealizationofmanipulatorcontrolsystemweredescribed.ThedesignofmanipulatormodelcontrolsystembasedonPLCwasresearchedandMCGS’sapplicationinthemanipulatormodelcontrolsystemwasresearched.TheinterfaceofsupervisionforthemanipulatormodelcontrolsystemwasdesignedbyMCGS.Anintuitive,clearandaccuratemanipulatoroperatingstatewasprovided.Andthenvariouspossibilitiesformaintainandbreakdown’sdiagnosiswereprovided,thework’sefficiencyofsystemwasfullyelevated.
Keywords:
manipulator，PLC，MCGS
第一章绪论
1.1课题背景
随着计算机技术的飞速发展，PLC（即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生活的各个方面，PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。
PLC作为通用的工业计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。
PLC从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。
在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。
同时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。
工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。
在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路部门的重视。
本次课题主要是应用三菱公司FX2N系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
1.2设计目的和意义
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期的缩短，更新换代速度加快。
然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。
目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的的发展趋势。
自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。
自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。
重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国际民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。
支撑发展就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支持经济社会的持续协调发展。
引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。
这一方针是我国半个世纪科技发展实践经验的概括总结，是面想未来，实现中华民族伟大复兴的重要抉择。
科技人才是提高自主创新能力的关键所在。
要把创造良好环境和条件，培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适用的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。
1.3本文主要工作
第一章：
绪论介绍该课题背景，对该系统的设计目的和意义做简单介绍
第二章：
系统介绍可编程逻辑控制器MCGS组态软件和机械手
第三章：
系统方案的分析设计及程序的设计
第四章：
系统的调试及设计总结
第2章可编程序逻辑控制器（PLC）和机械手概述
2.1可编程序逻辑控制器（PLC）
2.1.1PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成[9]。
其结构简图如下：
外部设备
图2-1PLC硬件结构图
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。
（本次课题主要应用三菱FX2N系列PLC进行设计）
2.1.2PLC的发展历程
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。
随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：
1970—1980年：
PLC的结构定型阶段。
在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。
最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。
PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980—1990年：
PLC的普及阶段。
在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。
各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。
PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。
比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。
1990—2000年，PLC的高性能与小型化阶段。
在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。
此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。
2000年至今：
PLC的高性能与网络化阶段。
在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。
一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。
与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。
2.1.3PLC的硬件
一、PLC的物理结构
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
1.整体式PLC
整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
2.模块式PLC
大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。
用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。
3.CPU模块中的存储器
存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。
系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。
用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。
（1）.随机存取存储器（RAM）
用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。
RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。
（2）.只读存储器（ROM）
ROM的内容只能读出，不能写入。
（3）.可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM）
S7-200用EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。
4.I/O模块
各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。
输入模块：
PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。
输出模块：
输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。
输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。
2.1.4PLC的主要特点
一、抗干扰能力强，可靠性高
PLC专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。
它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。
所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力，因此稳定、可靠，抗干扰能力强。
与继电器接触装置和通用计算机相比，PLC更能试用工业现场较为恶劣的生产环境。
二、控制系统机构简单，通用性强
PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
在PLC够成的控制系统中，只需要在PLC的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。
当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。
PLC的输入/输出可以直接与交流220V、直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。
三、编程简单，易于使用
PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。
四、功能完善
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/A转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能，可以通过上位计算进行显示、报警、记录，进行人机对话，使控制水平大为提高。
因此，PLC具有极强的适用性，能够很好地满足各类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。
五、体积小、维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装。
PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。
2.1.5FX2N系列PLC介绍
FX2N型PLC的主要种类
FX2N型PLC按品种可以分为基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊扩展设备。
基本单元由内部电源、内部输入输出、内部CPU和内部存储器组成，只有基本单元可以单独使用，当输入输出点数不足时可以进行扩展。
扩展单元由内部电源、内部输入输出组成、需要和基本单元一起使用。
扩展模块由内部输入输出组成，，自身不带电源，由基本单元、扩展单元供电，需要和基本单元一起使用。
特殊扩展设备可以分为3类：
特殊功能板、特殊模块和特殊单元，是一些特殊用途的装置。
特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等，特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块，特殊单元用于定位脉冲输出。
FX2N型PLC的初步认识
如图所示为FX2N型PLC基本单元外形，其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。
输入端子连接外部的输入元件，如按钮、控制开关、行程开关、接近开关、热继电器接点、压力继电器接点、数字开关等。
输出端子连接外部的输出元件，如接触器、继电器线圈、信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等。
图2-2（三菱FX2N系列PLC实物图）
工作过程
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输入刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入端信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
（2）程序处理阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按从左至右、从上到下的步骤顺序执行程序。
当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（软继电器）的当前状态。
然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说，每个元件（软继电器）的状态会随着程序执行过程而变化。
（3）输出刷新结果阶段
在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。
2.2机械手
2.2.1机械手概述
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。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
他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，尤其体现了人的智能和适应性。
机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在我国民经济领域有着广阔的发展前景。
机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。
2.2.2机械手的工作原理
机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇编程序以变动的多功能机器。
它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。
工业机械手是近似自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。
同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。
控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。
其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。
因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。
在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
本项目要求设计的机械手模型可以归为一类，即通用机械手。
在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。
通过本次设计，可以增
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