三自由度機(jī)械手下位機(jī)與上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于下位機(jī)與上位機(jī)三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計TheDesignofManipulatorControlSystemofThreeDOFsBasedonHypogynousandHost摘要由于三自由度機(jī)械手能夠在三維空間中完成升降、平移、旋轉(zhuǎn)基本指令，并且PLC技術(shù)的控制能力強(qiáng)，能實現(xiàn)模擬量的控制，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可編程等優(yōu)點，所以選用PLC作為此控制系統(tǒng)的下位機(jī)，用于控制比較惡劣環(huán)境下機(jī)械手的動作。同時為了適應(yīng)實時性，加快工作效率，此次系統(tǒng)還采用了單片機(jī)作為上位機(jī)與PLC進(jìn)行串行通訊，用VB軟件實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：三自由度機(jī)械手下位機(jī)上位機(jī)串行通信ABSTRACTAsthe3-DOFmanipulatorcanbecompletedinthree-dimensionalspace,lifting,shifting,rotatingthebasicinstructions,andthePLCcontroltechnology,strongabilitytoachievecontrolofanalog,highreliability,stronganti-jammingcapability,programmable,etc.,soPLCcontrolsystem,asthisselectionofthenext-bitmachine,usedtocontroltherelativelyharshenvironmentofmechanicalmovementofthehands.Meanwhile,inordertoadapttoreal-time,improvetheirworkefficiency,thissystemalsousesamicrocontrollerasthehostcomputerandthePLCserialcommunicationwithVBsoftwareKeywords:3-DOFmechanicalhands-bitmachinehostcomputerserialcommunication.0.概述由于三自由度機(jī)械手能夠在三維空間中完成升降、平移等基本指令，而二自由度機(jī)械手僅能在一個平面內(nèi)動作，因此有必要設(shè)計一種較高自由度機(jī)械手來滿足實際中有較高要求的需要，并將研究成果應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)實際中。另外PLC技術(shù)的控制能力強(qiáng)，能實現(xiàn)模擬量的控制，可靠性高抗干擾能力強(qiáng)、可編程、等優(yōu)點。因此，基于對工廠控制系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力的要求，我們進(jìn)行了機(jī)械手的PLC控制改造，通過本課題的研究,要求掌握基于PLC的三自由度機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計方法,能夠?qū)⑦@些先進(jìn)的設(shè)計方法應(yīng)用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中；從而實現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。是PLC無法進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和顯示各種實時控制圖表,人機(jī)交互性差,不便于監(jiān)控。在當(dāng)今的實際工程應(yīng)用中,常采用上位計算機(jī)和PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng),完成整個系統(tǒng)的控制任務(wù),這就需要使用PLC的通信技術(shù)。采用三菱FX系列PLC作為下位機(jī),完成控制量輸出、傳感器數(shù)據(jù)的采集等工作;個人計算機(jī)作為上位機(jī),用來發(fā)送控制命令、完成傳感數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示等功能,實現(xiàn)對機(jī)械手動作的實時監(jiān)控。1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1系統(tǒng)硬件連接本系統(tǒng)采用FX系列PLC作為下位機(jī),上位機(jī)串行接口通過SC209轉(zhuǎn)換接口與PLC編程口相連,形成系統(tǒng)通信的物理通道,完成RS2232與RS2422信號間的相互轉(zhuǎn)換。FX系列PLC提供一個RS2422異步通信口(稱編程口),該通信口具有雙重功能,其一功能是采用簡易編程器或SWOPC2FXGP?WIN2C軟件及其他編程軟件對PLC進(jìn)行編程和下載,在PLC運(yùn)行時對其內(nèi)部各器件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。另一功能是根據(jù)用戶需要,按照PLC的通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？删幊炭刂破?PLC)是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高,功能強(qiáng),編程簡單,人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。硬件連接圖如圖1所示。運(yùn)動狀態(tài)顯示運(yùn)動狀態(tài)顯示PLC限位開關(guān)交流電機(jī)驅(qū)動器交流電機(jī)機(jī)械手SC09PC機(jī)物體圖1系統(tǒng)硬件連接圖1.2系統(tǒng)硬件選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)，為了保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，采用了三菱的FX2N-80MR，三菱FX2N-80MR是FX系列中最先進(jìn)的超級微型PLC，具有高速、高性能的特性：一條基本指令的運(yùn)算時間為0.08微秒，一條應(yīng)用指令的運(yùn)算時間為1.52-100微秒。FX2N-80MR的輸入輸出點均為40點?；谝陨蠈θ釶LC的綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計采用FX2N-80MR系列PLC作為下位機(jī)。1.3PLC的I/O部分根據(jù)此次機(jī)械手的控制要求，機(jī)械手的PLC輸入輸出電氣接口如圖2所示。其中在PLC輸入輸出電氣接口圖中，SQ1-SQ6是6個磁性開關(guān)，SB1、SB2分別是啟動、停止開關(guān)。Y000-Y006分別接觸器KM0-KM6。而Y007-Y014是輸出狀態(tài)的狀態(tài)顯示燈，用于顯示狀態(tài)。X001X001X002X003X004X005X006X007X008SB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6Y009Y001Y010Y011Y012Y002Y003Y004Y008Y007Y006Y005KM1KM2KM3KM4KM5KM6HL1HL2HL3HL4HL5HL6FX2N-80MR啟動停止下限位順旋限位伸出限位上限位逆旋限位縮回限位下降上升伸出順旋逆旋縮回上升逆旋縮回下降伸出順旋Y000KM0夾緊圖2PLC輸入輸出電氣接口圖1.4PLC與上位機(jī)的連接上位機(jī)串行接口通過SC209轉(zhuǎn)換接口與PLC編程口相連,形成系統(tǒng)通信的物理通道,完成RS2232與RS2422信號間的相互轉(zhuǎn)換,用來發(fā)送控制命令、完成傳感數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示等功能,實現(xiàn)對機(jī)械手動作的實時監(jiān)控。硬件連接圖如圖3所示。FX2NFX2N系列PLCSC209轉(zhuǎn)換接口個人計算機(jī)圖3上位機(jī)連接圖2.軟件部分的設(shè)計2.1控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖S2S2S20M8041M8044狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始原點位置條件Y001下降X003下限位SETY000夾緊T0S21T0K10X005S22上限位X004S23伸出限位X006S24順旋限位X003S25下限位T1S26X004S27上限位X007S28逆旋限位X010S29縮回限位Y002上升Y003機(jī)械手伸出Y004底盤順旋90°Y007下降Y002上升Y005底盤逆旋90°Y006機(jī)械手縮回RSTY000放松T1K102.2下位機(jī)與上位機(jī)的通信FX系列PLC的編程口與上位機(jī)間的串行通信采用十六進(jìn)制表示的ASCII碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通信波特率9600bps,7位數(shù)據(jù)位。上下位機(jī)之間采用主從應(yīng)答方式,上位機(jī)始終具有初始傳送優(yōu)先權(quán),根據(jù)需要向PLC發(fā)出讀寫命令,下位機(jī)處于被動狀態(tài)響應(yīng)上位機(jī)的命令。上位機(jī)讀數(shù)據(jù)時通過通信口向PLC發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令,PLC響應(yīng)命令并將數(shù)據(jù)傳回上位機(jī),上位機(jī)通過讀通信口即可取的所需數(shù)據(jù);寫數(shù)據(jù)時上位機(jī)通過通信口向PLC發(fā)出寫命令及數(shù)據(jù),PLC即可接收。為實現(xiàn)上位機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)通訊,有多種軟件開發(fā)平臺可以使用,但在Windows環(huán)境下,利用VisualBasic編寫通信軟件十分方便,編程工作量小,軟件界面簡單易行,尤其是它提供了十分重要的、具有強(qiáng)大功能的通信控件MSComm,可方便地實現(xiàn)對下位機(jī)地址和數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,完成通信。本通信程序中,在通信窗口添加一命令按鈕(SendCmd),通過點擊該命令按鈕控件,觸發(fā)SendCmd_Click()事件,在該事件中完成寫控制命令字的發(fā)送;同時利用定時器控件Timer1的時間中斷事件Timer1_Timer(),定時發(fā)出讀取PLC數(shù)據(jù)的命令。在對PLC的響應(yīng)中,采用查詢方式,通過判斷輸入緩沖區(qū)是否接收到終止字符,對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理。3.結(jié)束語本課題主要研究的是下位機(jī)PLC與上位機(jī)在機(jī)械手系統(tǒng)的應(yīng)用，是用PLC技術(shù)來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，課題主要研究了交流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行實現(xiàn)了機(jī)械手在兩個平面的升降、伸縮、順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)90°的動作。另外此次設(shè)計中設(shè)計了上位機(jī)與下位機(jī)的通信設(shè)計，能根據(jù)現(xiàn)場的情況作出實時處理，達(dá)到比較好的效果。在用VB軟件設(shè)計的界面中實現(xiàn)了簡單的操作過程，達(dá)到了本次設(shè)計的目的。。參考文獻(xiàn)：[1]顧繩谷.電機(jī)及拖動基礎(chǔ)[M].第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.04.105[2]詹貴印，周紅梅.三自由度液壓機(jī)械手的PLC控制研究[J].裝備制造行業(yè)應(yīng)用,2007.07(3)[3]范逸之.利用V