基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计 (1)

基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计

0引言

由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移等基本指令，而二自由度机械手仅能在一个平面内动作，因此有必要设计一种较高自由度机械手来满足实际中有较高要求的场合，并将研究成果应用到企业的生产实际中。另外, PLC技术的控制能力强，能实现模拟量的控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、可编程等优点。因此，基于对工厂控制系统的强抗干扰能力的要求，我们进行了机械手的PLC控制改造。通过本课题的研究,要求掌握基于PLC的三自由度机械手系统的设计方法,能够将这些先进的设计方法应用到其它自动化设备的开发当中,从而实现提高产品质量,缩短开发周期和降低开发成本。由于PLC无法进行复杂的运算和显示各种实时控制图表,人机交互性差,不便于监控，在当今的实际工程应用中,常采用上位计算机和PLC构成的分布式控制系统,完成整个系统的控制任务,这就需要使用PLC的通信技术。采用三菱FX系列PLC作为下位机,完成控制量输出、传感器数据的采集等工作;个人计算机作为上位机,用来发送控制命令、完成传感数据的分析、处理和显示等功能,实现对机械手动作的实时监控。

1系统结构图

1.1系统硬件连接

本系统采用FX系列PLC作为下位机,上位机串行接口通过SC209转换接口与PLC编程口相连,形成系统通信的物理通道,完成R S2232与R S2422信号间的相互转换。FX系列PLC提供一个R S2422异步通信口(称编程口),该通信口具有双重功能：其一功能是采用简易编程器或SW O PC2FX G P-W I N2C软件及其他编程软件对PLC进行编程和下载,在PLC 运行时对其内部各器件的状态和数据进行监控；另一功能是根据用户需要,按照PLC的通信协议与上位机进行数据通信。可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高、功能强、编程简单、人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统，其硬件连接图如图一所示。

1.2系统硬件选型

基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计Design of Manipulator Control System of Three DOFs Based on Hypogynous and Host machine

王晓平李小京

Wang Xiaoping Li Xiaojing

(天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300160)

(School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin300160)

摘要：由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移、旋转等基本指令，并且PLC技术的控制能力强，能实现模拟量的控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、可编程等优点，所以选用PLC作为此控制系统的下位机，用于控制比较恶劣环境下机械手的动作。同时为了适应实时性，加快工作效率，该系统还采用了单片机作为上位机与PLC进行串行通讯，用VB软件实现。

关键词：三自由度机械手；下位机；上位机；串行通信

中图分类号：TH138文献标识码：B文章编号：1671-4792-(2009)7-0163-03

Abstract：As the3-DOF manipulator can be completed in three-dimensional space,lifting,shifting,rotating the basic instructions, and the PLC control technology has strong ability to achieve control of analog,high reliability,strong anti-jamming capability,pro-grammable,etc.,so as this selection of the next-bit machine,PLC control system,was used to control the relatively harsh environment of mechanical movement of the hands.Meanwhile,in order to adapt to real-time and improve their work efficiency,this system also us-es a microcontroller as the host computer and the PLC serial communication with VB software

Keywords:3-DOF Mechanical；Hands-bit Machine；Host Computer；Serial Communication

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科技广场2009.7

该系统机械手电机的驱动部分使用型号为SH -2H 057的步进电机驱动器来驱动步进电动机的运行。

在PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步就是PLC 工程设计选型。工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量。在PLC 系统设计时，确定PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC 和设计相应的控制系统。I /O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。为了保证系统的高效运行，采用了三菱的FX 2N -80M R 。三菱FX 2N -80M R 是FX 系列中最先进的超级微型PLC ，具有高速、高性能的特性。一条基本指令的运算时间为0.08微秒，一条应用指令的运算时间为1.52-100微秒。FX

2N -80M R 的输入输出点均为40点。基于以上对三菱PLC 的综合考虑，本系统设计采用FX 2N -80M R 系列PLC 作为下位机。

1.3PLC 的I /O 部分

根据机械手的控制要求，机械手的PLC 输入输出电气接口如图二所示。其中在PLC 输入输出电气接口图中，SQ 1-SQ 6是6个磁性开关，SB 1、SB 2分别是启动、停止开关，Y 000-Y 006分别接触器K M 0-K M 6，而Y 007-Y 014是输出状态的状态显示灯，用于显示状态。

1.4PLC 与上位机的连接

上位机串行接口通过SC 209转换接口与PLC 编程口相连,形成系统通信的物理通道,完成R S2232与R S2422信号间的相互转换,用来发送控制命令、完成传感数据的分析、处理和显示等功能,实现对机械手动作的实时监控，其硬件连接图如图三所示。

2软件部分的设计

2.1控制系统状态转移图

控制系统状态转移图如图四所示。2.2下位机与上位机的通信

FX 系列PLC 的编程口与上位机间的串行通信采用十六进制表示的A SC I I 码进行数据传输,通信波特率9600bp s,7位数据位。上下位机之间采用主从应答方式,上位机始终具有初始传送优先权,根据需要向PLC 发出读写命令,下位机处于被动状态响应上位机的命令。上位机读数据时通过通信口向PLC 发出读数据命令,PLC 响应命令并将数据传回上位机,上位机通过读通信口即可取得所需数据;

写数

图一

系统硬件连接图

图二

PLC

输入输出电气接口图

图三上位机连接图

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图四控制系统状态转移图

据时上位机通过通信口向PLC发出写命令及数据,PLC即可接收。

为实现上位机与PLC的数据通讯,有多种软件开发平台可以使用。但在Windows环境下,利用Visual Basic编写通信软件十分方便,编程工作量小,软件界面简单易行,尤其是它提供了十分重要的、具有强大功能的通信控件MSComm,可方便

地实现对下位机地址和数据的接收和发送,完成通信。本通信

程序中,在通信窗口添加一命令按钮(SendCmd),通过点击该命

令按钮控件,触发SendCmd_Click()事件,在该事件中完成写控

制命令字的发送;同时利用定时器控件Timer1的时间中断事

件Timer1_Timer(),定时发出读取PLC数据的命令。在对PLC

的响应中,采用查询方式,通过判断输入缓冲区是否接收到终止

字符,对接收的数据进行判断和处理。

3结束语

本课题主要研究的是下位机PLC与上位机在机械手系

统的应用，是用PLC技术来控制电机的运行状态，课题主要

研究了交流电动机正、反转运行，实现了机械手在两个平面

的升降、伸缩、顺时针、逆时针旋转90°的动作。另外，系统

设计了上位机与下位机的通信，能根据现场的情况作出实时

处理，达到比较好的效果。在用VB软件设计的界面中实现

了简单的操作过程，达到了本次设计的目的。

参考文献

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作者简介

王晓平（1983—）,男,汉,山东烟台人,硕士,天津工业大学,

主要研究方向：信号处理与监测装置。

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