三自由度機械手下位機與上位機控制系統(tǒng)的設計

基于下位機與上位機三自由度機械手控制系統(tǒng)的設計TheDesignofManipulatorControlSystemofThreeDOFsBasedonHypogynousandHost摘要由于三自由度機械手能夠在三維空間中完成升降、平移、旋轉基本指令，并且PLC技術的控制能力強，能實現模擬量的控制，可靠性高、抗干擾能力強、可編程等優(yōu)點，所以選用PLC作為此控制系統(tǒng)的下位機，用于控制比較惡劣環(huán)境下機械手的動作。同時為了適應實時性，加快工作效率，此次系統(tǒng)還采用了單片機作為上位機與PLC進行串行通訊，用VB軟件實現。關鍵詞：三自由度機械手下位機上位機串行通信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，而二自由度機械手僅能在一個平面內動作，因此有必要設計一種較高自由度機械手來滿足實際中有較高要求的需要，并將研究成果應用到企業(yè)的生產實際中。另外PLC技術的控制能力強，能實現模擬量的控制，可靠性高抗干擾能力強、可編程、等優(yōu)點。因此，基于對工廠控制系統(tǒng)的強抗干擾能力的要求，我們進行了機械手的PLC控制改造，通過本課題的研究,要求掌握基于PLC的三自由度機械手系統(tǒng)的設計方法,能夠將這些先進的設計方法應用到其它自化設備的開發(fā)當中；從而實現提高產品質量,縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。是PLC無法進行復雜的運算和顯示各種實時控制圖表,人機交互性差,不便于監(jiān)控。在當今的實際工程應用中,常采用上位計算機和PLC構成的分布式控制系統(tǒng),完成整個系統(tǒng)的控制任務,這就需要使用PLC的通信技術。采用三菱FX系列PLC作為下位機,完成控制量輸出、傳感器數據的采集等工作;個人計算機作為上位機,用來發(fā)送控制命令、完成傳感數據的分析、處理和顯示等功能,實現對機械手動作的實時監(jiān)控。1.系統(tǒng)結構圖1.1系統(tǒng)硬件連接本系統(tǒng)采用FX系列PLC作為下位機,上位機串行接口通過SC209轉換接口與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進行編程和下載,在PLC運行時對其內部各器件的狀態(tài)和數據進行監(jiān)控。另一功能是根據用戶需要,按照PLC的通信協議與上位機進行數據通信?？删幊炭刂破?PLC)是一種專門為工業(yè)應用而設計的進行數字運算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高,功能強,編程簡單,人機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。運動狀態(tài)顯示運動狀態(tài)顯示PLC限位開關交流電機驅動器交流電機機械手SC09PC機物體圖1系統(tǒng)硬件連接圖1.2系統(tǒng)硬件選型在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量在PLC系統(tǒng)設計時，確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據，為了保證系統(tǒng)的高效運行，采用了三菱的FX2N-80MR，三菱FX2N-80MR是FX系列中最先進的超級微型PLC，具有高速、高性能的特性：一條基本指令的運算時間為0.08微秒，一條應用指令的運算時間為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)設計采用FX2N-80MR系列PLC作為下位機。1.3PLC的I/O部分根據此次機械手的控制要求，機械手的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，SB1、SB2分別是啟動、停止開關。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與上位機的連接上位機串行接口通過SC209轉換接口與PLC編程口相連,形成系統(tǒng)通信的物理通道,完成RS2232與RS2422信號間的相互轉換,用來發(fā)送控制命令、完成傳感數據的分析、處理和顯示等功能,實現對機械手動作的實時監(jiān)控。硬件連接圖如圖3所示。FX2NFX2N系列PLCSC209轉換接口個人計算機圖3上位機連接圖2.軟件部分的設計2.1控制系統(tǒng)狀態(tài)轉移圖S2S2S20M8041M8044狀態(tài)轉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機械手伸出Y004底盤順旋90°Y007下降Y002上升Y005底盤逆旋90°Y006機械手縮回RSTY000放松T1K102.2下位機與上位機的通信FX系列PLC的編程口與上位機間的串行通信采用十六進制表示的ASCII碼進行數據傳輸,通信波特率9600bps,7位數據位。上下位機之間采用主從應答方式,上位機始終具有初始傳送優(yōu)先權,根據需要向PLC發(fā)出讀寫命令,下位機處于被動狀態(tài)響應上位機的命令。上位機讀數據時通過通信口向PLC發(fā)出讀數據命令,PLC響應命令并將數據傳回上位機,上位機通過讀通信口即可取的所需數據;寫數據時上位機通過通信口向PLC發(fā)出寫命令及數據,PLC即可接收。為實現上位機與PLC的數據通訊,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、具有強大功能的通信控件MSComm,可方便地實現對下位機地址和數據的接收和發(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數據的命令。在對PLC的響應中,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,對接收的數據進行判斷和處理。3.結束語本課題主要研究的是下位機PLC與上位機在機械手系統(tǒng)的應用，是用PLC技術來控制電機的運行狀態(tài)，課題主要研究了交流電動機正、反轉運行實現了機械手在兩個平面的升降、伸縮、順時針、逆時針旋轉90°的動作。另外此次設計中設計了上位機與下位機的通信設計，能根據現場的情況作出實時處理，達到比較好的效果。在用VB軟件設計的界面中實現了簡單的操作過程，達到了本次設計的目的。。參考文獻：[1]顧繩谷.電機及拖動基礎[M].第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.04.105[2]詹貴印，周紅梅.三自由度液壓機械手的PLC控制研究[J].裝備制造行業(yè)應用,2007.07(3)[3]范逸之.利用V