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(jì)

1、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(jì)TheDesignofManipulatorControlSystemofThreeDOFsBasedonHypogynousandHostmachine王曉平李小京WangxiaopingLixiaojing（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院天津300160）（DepartmentofElectricaEngineeringandAutomationTianjinPolytechnicUniversityTianjin300160）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(shí)現(xiàn)模擬量的控制，

2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、可編程等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)作。同時(shí)為了適應(yīng)實(shí)時(shí)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(shí)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,strongabilitytoachievecontrolo

3、fanalog,highreliability,stronganti-jammingcapability,programmable,etc.,soPLCcontrolsystem,asthisselectionofthenext-bitmachine,usedtocontroltherelativelyharshenvironmentofmechanicalmovementofthehands.Meanwhile,inordertoadapttoreal-time,improvetheirworkefficiency,thissystemalsousesamicrocontrollerasth

4、ehostcomputerandthePLCserialcommunicationwithVBsoftwareKeywords: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(gè)平面內(nèi)動(dòng)作，因此有必要設(shè)計(jì)一種較高自由度機(jī)械手來滿足實(shí)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(shí)際中。另外PLC技術(shù)的控制能力強(qiáng)，能實(shí)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(diǎn)。因此，基于對(duì)工廠控制系統(tǒng)的強(qiáng)抗干擾能力的要求，我們進(jìn)行

5、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(jì)方法,能夠?qū)⑦@些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中；從而實(shí)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(shí)時(shí)控制圖表,人機(jī)交互性差,不便于監(jiān)控。在當(dāng)今的實(shí)際工程應(yīng)用中,常采用上位計(jì)算機(jī)和PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng),完成整個(gè)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(gè)人計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控。1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1

6、 系統(tǒng)硬件連接本系統(tǒng)采用FXK列PLC乍為下位機(jī),上位機(jī)串行接口通過SC209專換接口與PLC編程口相連，形成系統(tǒng)通信的物理通道,完成RS2232WRS2422言號(hào)間的相互轉(zhuǎn)換。FX系歹UPLC提供一個(gè)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(jiǎn)易編程器或SWOPC2FXGPIN2瞅件及其他編程軟件對(duì)PLCf行編程和下載,在PLC運(yùn)行時(shí)對(duì)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勺通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jiǎn)單,人機(jī)交互界

7、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。圖1系統(tǒng)硬件連接圖1.2 系統(tǒng)硬件選型此次機(jī)械手電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分使用型號(hào)為SH-2H057的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10唳20%的可

8、擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)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FX2N80MR是FX系列中最先進(jìn)的超級(jí)微型PLC,具有高速、高性能的特性：一條基本指令的運(yùn)算時(shí)間為0.08微秒，一條應(yīng)用指令的運(yùn)算時(shí)間為1.52-100微秒。FX2N-80MR的輸入輸出點(diǎn)均為40點(diǎn)?；谝陨蠈?duì)三菱PLC的綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FX2N-80MR系列PLC作為下位機(jī)。1.3 PLC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-SQ混6個(gè)磁性開關(guān)，SB1、SB2分別是啟動(dòng)、停止開關(guān)。Y000-Y006分別接

9、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)。圖2PLC輸入輸出電氣接口圖1.4 PLC與上位機(jī)的連接上位機(jī)串行接口通過SC209專換接口與PL既程口相連,形成系統(tǒng)通信的物理通道,完成RS2232與RS2422信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控。硬件連接圖如圖3所示。3上位機(jī)連接圖2. 軟件部分的設(shè)計(jì)2.1 控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖2.2 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

10、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(dòng)狀態(tài)響應(yīng)上位機(jī)的命令。上位機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(shí)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(tái)可以使用,但在Window界境下,利用VisualBasic編寫通信軟件十分方便,編程工作量小,軟件界面簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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

11、按鈕(SendCmd),通過點(diǎn)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(shí)利用定時(shí)器控件Timer1的時(shí)間中斷事件Timer1_Timer(),定時(shí)發(fā)出讀取PLC數(shù)據(jù)的命令。在對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手在兩個(gè)平面的升降、伸縮、順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90的動(dòng)作。另外此次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了上位機(jī)與下位機(jī)的通信設(shè)計(jì)，能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況作出實(shí)時(shí)處理，達(dá)到比較好的效果。在用VB軟件設(shè)計(jì)的界面中實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的操作過程，達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的目的。參考文獻(xiàn)：1 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)M.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.04.1052 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