高俊亚 机械手

第1章 机械手系统的设计

1.1 机械手的工作原理

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。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

1.2 机械手控制系统的设计

1.2.1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1所示：

原始位→下降→夹紧→上升→右移 ↑ ↓ 左移← 上升 ← 放松 ←下降 图1 机械手工作过程流程图

1.2．2 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。

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第2章 组态王

2.1 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 V1.2 1997 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 V5.1 for Internet，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。

2.1.1 基本人机界面功能

通过本功能完成画面组态快速便捷的应用设计，用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时 间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的 关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具。

（1）方便实用的工程管理

组态王 6.52 提供方便实用的管理工具——工程管 理器。工程管理器是一个独立的可执行文件，用来管理本机的所有组态王工程， 可以实现工程的压缩备份，备份恢复，数据词典的导出导入，实现开发和运行系 统的切换等。

(2).集成的开发环境

最新设计的组态王工程浏览器为用户提供了便利的集 成开发环境。工程设计者可以在工程浏览器中查看工程的各个部分，可以查看画 面、数据库、配置通讯驱动程序、设计报表；可以完成系统的大部分配置。 工程浏览器采用树形结构，操作简单方便，容易接受。在工程浏览器中，用 户也可以方便地切换到组态王开发环境和运行环境。

(3).功能强大、易用的绘图工具

目前用简单的示意性图形已经不足以表示 工业现场复杂的生产过程，用户普遍要求更加丰富多彩、生动逼真的画面。为满 足此要求，组态王提供了丰富的绘图工具，并尽可能使绘图工具的使用方法容易 掌握。 组态王工具箱中提供的绘图工具包括直线、折线、圆弧、矩形（方形） 、圆 角矩形、圆形（椭圆）等工具。它们的使用方法与一般绘图软件（如“画笔” ） 大致相同，设计者不需专门的培训即可使用。

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(4).灵活的便捷菜单

使用组态王的过程中，用户可以随时按下鼠标右键来 得到上下文相关的快捷菜单。这种方式比普通的菜单命令更容易使用，将大幅度 地提高开发应用系统的效率。

(5).支持无限色和过渡色

组态王6.52调色板改为支持无限色，支持二十四 种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持 过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、 美观的画面。

(6).图形对象丰富的动画效果

图形界面上的任何对象或复合对象都可以随 着过程参数的改变而变换状态，以产生动画效果。图形对象与过程参数建立变化 对应关系的过程称为“动画连接” 。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、 尺寸、 位置、 填充百分比等属性。 一个图形对象可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用软件将呈现出令人难以想象的图形动画效果。 图形对象可以进行的“动画连接”包括： 属性变化：包括线属性、填充属性、文本色 位置与大小变化：包括水平和垂直移动、缩放、旋转、填充 值输出：包括模拟值输出、离散值输出、字符串输出 用户输入：包括模拟值输入、离散值输入、字符串输入 滑动杆输入: 包括水平滑动杆输入、垂直滑动杆输入特殊：包括闪烁、隐含两种 命令语言连接：包括鼠标或等价键按下时、弹起时和按住时可执行的功能强 大的命令语言程序 提示文本：每个基本图素都可以定义一个提示信息条 动画连接的定义非常简单。以旋转连接为例，设计者只需给出旋转的偏转角 度和对应的过程参数的数值即可。定义的全过程都反映在一个简单的对话框中。

(7).图形界面

“监控和数据采集系统”必须有易于使用的图形界面。 通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接 当今的应用系统变得越来越复杂， 操作者希望系统能提供容易理解而且灵活 可靠的操作方式。设计者也希望能有快速而强大的系统开发工具。数千次成功的 工程实践证明，组态王正是这样一种能满足多数设计者需要的系统开发工具。 2.1.2 强有力的安全管理系统

对于可能有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用， 必须解决好授权与安 全性的问题，系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操

作。

1.优先级和安全区

组态王采用分级和分区的双重保护策略。应用系统中的 每一个可操作元素都可以被指定保护级别 （最大 999 级） 和安全区 （最多 64 个） ， 还可

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以指定变量和热键命令语言的安全区。对应地，设计者可以指定操作者的操 作优先级（最大 999 级）和工作安全区（最多 64 个） 。在系统运行时，若操作者 优先级小于可操作元素的访问优先级， 或者工作安全区不在可操作元素的安全区 内时，可操作元素是不可访问或操作的。 安全区功能在工程中使用广泛，在控制系统中一般包含多个控制过程，同时 也有多个用户操作该控制系统。为了方便、安全地管理控制系统中的不同控制过 程，组态王引入了安全区的概念。将需要授权的控制过程的对象设置安全区，同 时给操作这些对象的用户分别设置安全区， 例如工程要求 A 工人只能操作车间 A 的对象和数据，B 工人只能操作车间 B 的对象和数据，组态王中的处理是：将车间 A 的所有对象和数据的安全区设置为包含在 A 工人的操作安全区内，将车间 B 的所有对象和数据的安全区设置为包含在 B 工人的操作安全区内，其中 A 工 人和 B 工人的安全区不相同。

2.用户分组管理

系统采用用户标识符和口令来区别和保护操作者。每一个 操作者将获得唯一的用户标识符和口令，非法使用者不能进入系统。对于访问和 操作系统的所有用户，组态王实行分组管理。设计者可以根据工程管理的方便， 将用户分成若干个组来管理，可以配置用户组的公共安全区，方便操作。

3.安全管理系统应用录

安全系统组态允许设计者： 定义用户组、用户名和口令等； 定义安全区名； 定义用户的优先级和安全区； 定义变量的写安全区； 定义可操作对象的操作优先级和操作安全区； 定义执行热键命令语言的优先级和安全区； 登录。 操作员通过输入用户名和口令登录系统，登录完成后，只有在操作员的优先 级大于可操作对象的访问优先级， 并且操作员的安全区在可操作对象的安全区内 时，才可以访问和操作可操作对象。若两者有一个不满足，则操作者不能访问可 操作对象。对于变量的输入，只要操作者的安全区在变量的可操作安全区内，就 可以改变变量的值。 操作优先级大于 900 的操作者可作为系统的管理员。 系统管理员负责管理操 作者，包括增加、删除操作者，修改他们的组名、标识符、口令、操作优先级和 安全区等。

4.操作记录

用户经常需要收集并记录系统各种各样的信息，以便监视和分 安全系统应用包括以下两部分：安全系统组态和登 析系统的历史运行。组态王可以记录数据系统发生的各种事件，如发生的报警、 完成的操作、系统登录情况、操作变量值等。组态王运行时将自动记录什么人， 何时，进行了什么操作。记录数据可写入记录文件（*.al2） 、ODBC 数据库或者 直接送到打印机上。下图是一写入记录文件的操作记录例子。

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第3章 机械手的设计步骤

3.1启动组态王，新建工程

打开组态王软件，进入工程管理器，新建一个工程，选择他的存储路径并设定项目名称为“机械手控制系统设计”。 3.2新建设备，并将其命名为PLC

进入工程浏览器后，首先进行设备的连接。上位机COM1与PLC之间通过PC/PPI编程电缆连接，选择工程浏览器左侧大纲项“设备\\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，相关配置如图所示

图3-1 新建设备

3.3通讯设备参数设置

在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备\\COM1”，进行COM1参数设置，使系统的COM1口设置要与PLC 一致。

图3-2 参数设置

3.4定义变量

在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“数据库\\数据词典”，进行变

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量设置。

图3-3 定义变量

（1）定义启动（指示灯）

图3-4定义启动

（2）定义上（指示灯）

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图3-5 定义上

（3）定义下（指示灯）

图3-6 定义下

（4）定义上行

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图3-7 定义上行

（5）定义下行

图3-8 定义下行

（6）定义左（指示灯）

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图3-9 定义左

（7）定义右（指示灯）

图3-10 定义右

（8）定义夹紧显示（指示灯）

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图3-11 定义夹紧显示

（9）定义垂直上

图3-12 定义垂直上

（10）定义垂直下

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图3-13 定义垂直下

（11）定义物体上

图3-14 定义物体上

（12） 定义物体下

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图3-15 定义物体下

（13）定义水平左

图3-16 定义水平左

（14）定义水平右

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图3-17 定义水平右

（15）定义水平左1

图3-18 定义水平左1

（16）定义水平右1

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图3-19 定义水平右1

（17）定义时间

图3-20 定义时间

（18）定义夹紧物体

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图3-21 定义夹紧物体

（19）定义旋转

图3-22定义旋转

（20）定义加紧旋转

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图3-23 定义夹紧旋转

（21）定义放（指示灯）

图3-24 定义放

（22）定义电机旋转（指示灯）

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图3-25 定义电机旋转

3.5画面绘制

在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“文件\\画面”，新建画面，并将画面名称命名为“机械手设计画面”

图3-26 主画面

在里面画图，画图为：

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图3-27 设计画面

其中，在工具中文本选项，利用文字标签对相应元件进行注释。 3.6动画连接及参数设定

1 机械手

双击“机械手”，将“水平移动”、“垂直移动”勾上。 水平移动：

图3-28水平移动连接

垂直移动：

图3-29 垂直移动连接

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图3-30 机械手动画连接

2物体

双击“物体”，将“水平移动”、“垂直移动”勾上。 水平移动：

图3-31 物体水平移动连接

垂直移动：

图3-32 物体垂直移动连接

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图3-33 物体动画连接

3传送带

双击“传送带”，将“旋转“勾上。 旋转：

图3-34 传送带旋转

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图3-35 传送带动画连接

4指示灯、开关

以开关为例

图3-36 开关向导

3.7应用程序命令语言

启动时

if(\\\\本站点\\启动==1)

{\\\\本站点\\时间=\\\\本站点\\时间+1; }

运行时

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if(\\\\本站点\\启动==1)

{\\\\本站点\\时间=\\\\本站点\\时间+1;

{\\\\本站点\\垂直下=\\\\本站点\\垂直下+10;\\\\本站点\\物体上=\\\\本站点\\if(\\\\本站点\\时间>8 &&\\\\本站点\\时间<=10)

{\\\\本站点\\下行=0;\\\\本站点\\夹紧显示=1;\\\\本站点\\夹紧物体=\\\\本站if(\\\\本站点\\时间>10 &&\\\\本站点\\时间<=18)

if(\\\\本站点\\时间<=8) 物体上+0;\\\\本站点\\下行=1;}

点\\夹紧物体+10;\\\\本站点\\夹紧旋转=\\\\本站点\\夹紧旋转+10;}

{\\\\本站点\\垂直下=\\\\本站点\\垂直下-10;\\\\本站点\\垂直上=\\\\本站点\\垂直上+10;\\\\本站点\\物体上=\\\\本站点\\物体上-10;\\\\本站点\\物体下=\\\\本站点\\物体下+10;\\\\本站点\\上行=1;}

if(\\\\本站点\\时间>18 &&\\\\本站点\\时间<=28)

{\\\\本站点\\水平右=\\\\本站点\\水平右+10;\\\\本站点\\水平左=\\\\本站点\\水平左-10;\\\\本站点\\水平右1=\\\\本站点\\水平右1+10;\\\\本站点\\水平左1=\\\\本站点\\水平左1-10;\\\\本站点\\右=1;\\\\本站点\\上行=0;}

if(\\\\本站点\\时间>28 &&\\\\本站点\\时间<=36)

{\\\\本站点\\垂直下=\\\\本站点\\垂直下+10;\\\\本站点\\垂直上=\\\\本站点\\

垂直上-10;\\\\本站点\\物体上=\\\\本站点\\物体上+10;\\\\本站点\\物体下=\\\\本站点\\物体下-10;\\\\本站点\\下行=1;\\\\本站点\\右=0;}

if(\\\\本站点\\时间>36 && \\\\本站点\\时间<=38)

{\\\\本站点\\夹紧显示=0;\\\\本站点\\下行=0;\\\\本站点\\放=1;\\\\本站点\\夹紧物体=\\\\本站点\\夹紧物体-10;\\\\本站点\\夹紧旋转=\\\\本站点\\夹紧旋转-10;}

放=0;}

转+10;

\\\\本站点\\水平右=\\\\本站点\\水平右-10;\\\\本站点\\左=1;\\\\本站点\\上行if(\\\\本站点\\时间==56)

=0;\\\\本站点\\电机旋转=1;

{\\\\本站点\\时间=0;\\\\本站点\\垂直下=0;\\\\本站点\\垂直上=0;\\\\本站点\\垂直上=0;\\\\本站点\\物体下=0;\\\\本站点\\夹紧物体=0;\\\\本站点\\夹紧旋转=0;\\\\本站点\\水平左=0;\\\\本站点\\水平右=0;\\\\本站点\\水平左1=0;\\\\本站点\\水平右

if(\\\\本站点\\时间>46 &&\\\\本站点\\时间<=56)

{\\\\本站点\\水平左=\\\\本站点\\水平左+10;\\\\本站点\\旋转=\\\\本站点\\旋if(\\\\本站点\\时间>38 &&\\\\本站点\\时间<=46)

{\\\\本站点\\垂直下=\\\\本站点\\垂直下-10;\\\\本站点\\上行=1;\\\\本站点\\

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1=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\电机旋转=0;\\\\本站点\\旋转=0;}}

}

else if(\\\\本站点\\启动==0)

{\\\\本站点\\时间=0;\\\\本站点\\垂直下=0;\\\\本站点\\垂直上=0;\\\\本站点\\物体下=0;\\\\本站点\\物体上=0;\\\\本站点\\夹紧物体=0;

\\\\本站点\\水平左=0;\\\\本站点\\水平右=0;\\\\本站点\\水平左1=0;\\\\本站

点\\水平右1=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\夹紧旋转=0;

\\\\本站点\\上行=0;\\\\本站点\\下行=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\右=0;\\\\本站点\\夹紧显示=0;\\\\本站点\\放=0;\\\\本站点\\电机旋转=0;}

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总 结

本次课程设计使我对组态王软件有了更深入地了解，熟悉并熟练掌握组态王软件的功能和特点、掌握组态软件的系统构成、通过组态王软件的使用，进一步掌握了解机械手的工作原理，熟悉组态软件对机械手控制系统的设计、画面的设计、参数变量的设定、程序的编制，运行，调试与改进、机械手控制系统的动画连接。同时，本次课程设计使我更加深刻地体会到对于这门课程还有多东西没有完全掌握也认识到这门课程的重要性,，使我受益匪浅。在这次设计中，遇到了许多麻烦，设计中传送带不动，只有发动机转，不能实现物品的传送，机械手抓取物品的传送距离也不够远，剩下的我还是圆满的完成了机械手的控制设计，使这次设计圆满完成。通过这次设计使我知道我的不足，然我清楚的认识了自己，以后会多学习组态王软件的使用。

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致 谢

课程设计终于接近尾声，这1周我们历经了许多困难，受到了一次次的挫折，不过最终功夫不负有心人，我们成功了。成功的背后除了自己的努力，当然少不了别人的帮助。因此我要感谢那些给与我帮助的老师和同学。

首先，我要感谢的是我的指导老师杨峰他是一个很负责任的老师，一周的实习时间里，杨老师认真负责的指导和培育我们。每一位同学都得到了杨老师的悉心教导。在他的耐心的指导和悉心的教导下，我们最终顺利地完成了设计。我们每一位同学的成功都是毛老师严谨的治学态度，无私奉献的敬业精神，精益求精的工作态度结晶，而他给与我的关怀和鼓励让我牢记在心，在此，衷心地感谢杨

老师，感谢您为我们所做的一切。另外，一个团队的成功，靠的不是其中的哪个

单独的人，而是靠大家的团结，互帮互助，齐心协力的奋斗，这样才收获成功的果实。所以，在这里我还要感谢我的组员们。感谢你们的帮助，感谢你们的支持，感谢你们的合作。还要感谢所有帮助过我的同学！最后，还是要感谢审阅我们报告的杨老师，感谢他对我们的辛苦付出。

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参考文献

1.北京亚控科技有限公司．组态王电子参考手册EZ]．2003

2.吴明亮，蔡夕忠．可编程控制器实训教程[M]．北京：化学工业出版社2005 3.Wonderware Corporation．In Touch 7．0 AdvancedTrainingManual[z]1998 4.常斗南．可编程控制其原理、应用、实验[M]．北京：机械工业出版社1998

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参考文献

1.北京亚控科技有限公司．组态王电子参考手册EZ]．2003

2.吴明亮，蔡夕忠．可编程控制器实训教程[M]．北京：化学工业出版社2005 3.Wonderware Corporation．In Touch 7．0 AdvancedTrainingManual[z]1998 4.常斗南．可编程控制其原理、应用、实验[M]．北京：机械工业出版社1998

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