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基于VB的工业机器人PLC控制系统

 [自控?检测]

DO I :10.3969/j .issn .100522895.2010.03.018

收稿日期:2009212229;修回日期:2010201211

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50305034);浙江省自然科学基金资助项目(Y104440)

作者简介:黄金梭(1985),浙江苍南人,男,浙江大学机械工程学系硕士研究生,主要从事工业机器人控制策略的研究。E 2mail:

hjs mail@http://www.wendangku.net/doc/6012c7012b160b4e767fcf9f.html

基于VB 的工业机器人PLC 控制系统

黄金梭,陈开强

(浙江大学机械工程学系,浙江杭州 310027)

摘 要:研究低成本、高性能的工业机器人控制系统是适合我国国情的工业机器人应用思路。基于VB 开发柔性的机器人P LC 控制系统,可以通过友好的人机界面,由用户根据实际应用需要,对机器人的动作逻辑和运动参数进行修改。这种动作编程简单的开放式控制系统可以降低对操作者的专业素质要求,有利于工业机器人在生产中应用推广。图5参12

关 键 词:工业机器人;控制系统;VB 语言;P LC 可编程序控制器

中图分类号:TP273;TP242 文献标志码:A 文章编号:100522895(2010)0320065205

D esi gn of the I ndustr i a l Robot ’s PLC Con trol System Ba sed on VB

HUANG J in 2suo ,CHEN Kai 2qiang

(Depart m ent ofM echanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China )

Abstract:The idea of designing a l ow cost and high perf or mance industrial r obot ’s contr ol syste m is suitable f or china ’s conditi on .A flexible robot ’s PLC control syste m w as developed based on VB.

Thr ough the friendly hu man 2machine

interface,according t o the actual app licati on require ment,the r obot ’s moti on l ogic and para meters could be modified .This open contr ol syste m of moti on si m p le p r ogra m can reduce the operat or ’s require ment in p r ofessi onal quality and be beneficial f or the industrial r obot ’s popularizati on in p r oducti on .[Ch,5fig .12ref .]

Key words:industrial r obot;contr ol syste m;VB language;P LC (p r ogra mmable l ogical contr oller )0 引言

传统工业机器人是根据给定任务和已知环境进行结构设计,并由专用语言编写控制指令,通过固化在专用控制器上来控制工业机器人的运动;一旦要求改变机器人的运动逻辑顺序时,就要对工业机器人的控制器进行重新编程、调试,甚至重新设计机器人机械结构和控制器结构,于是便产生了传统工业机器人设计周期长、成本高、系统维护困难等一系列问题,给工业机器人在工业生产中的应用带来了很大的局限性。因此,是否能着眼于全局,从理论上找到一个通用的机械系统和控制系统设计方法,而不是局限于某个具体问题,使工业机器人能在现有硬件和软件条件下根据用户各种不同任务和工作环境自动形成作用于本体的底层控制指令序列,成为当前工业机器人领域的一个研

究重点。而寻找出适合我过国情的工业机器人研究思

路,开发出成本低、性能较好的实用型工业机器人更是

我国工业领域内机器人探索的一个方向[125]

。文章基于普通PC 机、利用VB 设计了人机界面,作为接收作业任务的上位机。利用三菱P LC 作为机器人的底层控制器,设计了具有根据上位机下传的任务自动形成用户控制逻辑功能的软件系统。

1 SCARA 工业机器人结构分析

[6]

SCARA 型工业机器人主要实现的是水平作业,所实现的功能主要是水平面上的旋转运动,构型特点是几个关节旋转轴带动水平手臂实现水平旋转作业[2]66[7];文中采用的SC ARA 工业机器人除了具有基本的水平关节运动外,还有垂直方向上的丝杠运动和终端治具动作,总共4自由度,其结构形式如图1所示。

 

第28卷第3期2010年6月

 

轻工机械

L i ght I ndustry M ach i n ery

 

Vol .28No .3

Jun .2010

 

图1 SCARA工业机器人结构

Figure1 SCARA industrial r obot’s structure

SCARA工业机器人中需要控制的对象有:

1)大臂驱动电机1。采用400W的伺服电机1与减速器联接后固定在基座上,将运动和动力传至大臂,驱动大臂相对于基座的运动。

2)小臂驱动电机2。采用200W的伺服电机2与减速器联接后固定在大臂终端,将运动和动力传至小臂,驱动小臂相对于大臂的运动。

3)丝杠自转驱动电机3。与丝杠联接的杆件沿轴向加工槽,杆套与杆件之间通过滑键联接。由100 W的伺服电机3直接驱动杆套的旋转运动,从而带动杆件的自转。

4)丝杠上下驱动电机。丝杠与螺母的运动关系为:螺母做旋转运动,丝杠做直线移动。由100W的伺服电机4直接驱动,将运动和动力传至螺母。

5)终端治具电磁阀。采用汽缸直接驱动夹具的运动,由电磁阀控制汽缸的运动[8]。

针对SCARA工业机器人以上的控制对象,本文将在下节做详细的控制系统设计。

2 下位机系统设计

2.1 硬件配置

本文所采用的4自由度伺服驱动可重组工业机器人试验样机的控制系统分为上位机和下位机2大部分。上位机是在普通PC机上编写的人机界面软件。下位机主要由三菱的P LC和伺服系统构成,上、下位机通过485总线通信。系统总图如图2所示。

本机械手的4个自由度需要由4个电机驱动,而一个P LC最多能带动2个伺服驱动系统,因此我们配备2台P LC控制4个伺服系统。为了能构成1∶N通信线路,实现一台计算机控制2台P LC,

基于VB的工业机器人PLC控制系统

选用相对简

图2 控制系统总图

Figure2 General chart of contr ol syste m

单、可靠而又低成本的485通信方式。由于计算机主机上安装的是RS232串口,所以在计算机主机上加上RS2232/RS485的适配器进行通信协议的转换。由于每个动作模块之间有着相应的联系和规则,而这些动作是分散在2个P LC上控制的。因此,P LC与P LC之间也有通信;但是485总线在同一时刻不能有两帧数据在传输,故他们之间不允许占用总线进行通信。考虑到他们之间只有简单的开关量通信,而且通信的时机是分开的,故这里可以通过他们的I/O口进行2台P LC的交流。另外,为了确保机器人动作的准确性,驱动部分采用具有闭环控制功能的伺服系统。控制器通过通信模块接收来自上位机的动作参量,并对参量数据进行分析,经过具有控制逻辑自重组功能的算法进行耦合,最后通过伺服驱动系统输出动作[9]12。

2.2 软件设计

下位机采用三菱P LC作为主控制器,P LC中程序设计分为2大部分,一是主控程序,主要负责系统状态的检测、上位机任务的接收与解耦和子程序的调用。二是子程序,主要负责具体任务的执行,如各个轴电机的直接驱动命令及各重开关量的控制(这里有终端治具的控制)。控制系统的软件流程如图3所示。系统上电后,等待人启动开始按钮,系统启动后,首先进行各种状态的检测,包括伺服Ready信号,气源气压检测等。系统状态检测正常后,开始等待用户输入作业任务。收到作业任务后开始对任务进行解耦,提取出各个运动参数及控制逻辑信息,最后调用各个运动类型

?

6

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? 轻工机械 L ight I ndustryM achinery2010年第3期

基于VB的工业机器人PLC控制系统

对应的子程序,驱动并控制各个电机及电磁阀。工业机器人所有的作业任务均由用户在离线状,通过本文设计的人机界面下传之P LC 。下节,将对人机界面功

能做详细介绍[9]

基于VB的工业机器人PLC控制系统

图3 软件流程图

Figure 3 Fl ow chart of the s oft w are

3 上位机人机界面设计

利用V isual Basic,在普通PC 机上根据控制功能

对人机界面进行了具体的设计。界面内容如图4所

示。通过该界面,用户可以对SCARA 工业机器人的

?

76? [自控?检测] 黄金梭,等 基于VB 的工业机器人P LC 控制系统

基于VB的工业机器人PLC控制系统

各个控制对象进行运动的离线规划,布置任务。任务布置的内容有:动作类型选择(电机及其旋转方向)、动作行程(脉冲数)、动作速度(脉冲频率)、动作延时时间、动作逻辑、有无循环及循环次数等,点击“程序写入”按钮即可将用户总任务下传至控制系统。下位机还可以将机器人的各种状态通过人机界面提示给用户,如上电后控制系统对工业机器人各个关节的状态及系统的状态等。下位机通过人机界面接受用户对工业机器人各个运动关节的位置矫正,以及用户对运动

过程中各个模块的参数查询[10211]

上位机与下位机之间的任务协议采用本文约定的规则,由指定的辅助继电器M 和断电保持寄存器D 代表动作类型、运动参数、动作延时时间和循环次数等。本文规定的协议如图5所示。其中,数据帧协议格式

采用三菱公司的P LC 计算机链接协议[12]

图4 人机界面

Figure 4 Human 2machine

interface

基于VB的工业机器人PLC控制系统

图5 任务通信协议

Figure 5 Task communicati on p r ot ocol

4 结束语

SCARA 工业机器人是由多个机械运动模块和连

接模块构建而成的。本文设计的SCARA 工业机器人的控制系统已经在样机上通过程序调试。上位机通信方面,通过串口调试助手对用户参量数据的监视发现,所有的数据全部正确,均符合预先约定的通信协议规则,且通信没有出现滞后和乱码。下位机方面,在把监视到的正确数据通过串口调试助手下传至下位机后,下位机中各种动作模块能按照上位机设定的逻辑准确

无误地组合,发生意外情况时对应的动作模块和报警

均正确、快速地作出了反应。最后我们将上、下位机按照系统配置图正确连接,整个系统运行稳定,动作执行正确无误,实验数据和机器人动作状态均表明,下位机控制系统的各个功能模块成功地实现了脱离开发环境进行自由组合,具有很实用的面向用户的开发性。

下一步,将对样机的电气线路进行合理的布置设计,做到走线合理、无干涉。同时,进一步研究5轴和6轴时控制系统的设计。(下转第72页)

图6 阶跃响应曲线

Figure6 Step signal res ponse of syste m

节,它将传统P I D控制经验的优点和模糊控制的灵活性、自适应性相结合,比传统P I D控制具有更好的动静态性能和抗干扰能力。

参考文献(References):

[1] 尾形克彦.现代控制工程[M].4版.卢伯英,于海勋,译.北京:电

子工业出版社,2007.[2] 诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京:机械工业出版社,

2005.

[3] 杨征瑞,花克勤,徐轶.电液比例与伺服控制[M].北京:冶金工业

出版社,2009.

[4] 席爱民.模糊控制技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,

2008.

[5] P ANSI N O K M,STEPHEN Y.Fuzzy Contr ol[M].北京:清华大学

出版社,2001

[6] 郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真:基于MAT LAB/Si m ulink

[M].北京:电子工业出版社,2009.

[7] 李颖,朱伯立,张威.Si m ulink动态系统建模与仿真基础[M].西

安:西安电子科技大学出版社,2004.

[8] 董继先,李伟,王孟效,等.模糊P I D控制器在碱回收炉的应用

[J].轻工机械,2009,27(3):43246.

[9] 颜晓河,张浩.预测控制在全电动式注塑机注射压力控制中的仿

真研究[J].轻工机械,2009,27(1):19222.

[10] 薛定宇,陈阳泉.基于MAT LAB/Si m ulink的系统仿真技术与应

用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[11] 张德丰.MAT LAB/Si m ulink建模与仿真[M].北京:电子工业出

版社,2009.

[12] 姚俊,马松辉.Si m ulink建模与仿真[M].西安:西安电子科技大

学出版社,2002.

[13] 王志明,龚振邦,袁晶,等.基于模糊P I D位置控制的气伺服系统

[J].机电工程,2009,26(10):93295.

(上接第68页)

参考文献(References):

[1] 张鲁国.P LC在机械手控制系统中的应用[J].微计算机信息,

2000,16(1):36237.

[2] 许果,王峻峰,何岭松.一种基于SCARA机器人机械结构设计

[J].机械工程师,2005(4):65267.

[3] 刘辉,时国平.回转窑窑衬清理机器人控制系统[J].轻工机械,

2009,27(1):65268.

[4] 文怀兴,柳建华,白路,等.基于Tri o运动控制器的直角坐标机器

人控制系统[J].轻工机械,2009,27(3):50253.

[5] 李成伟,朱秀丽,贠超.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J].

机电工程,2008,25(12):81284.

[6] 宗光华.新型机构撑起智能机器人[J].机器人技术与应用,2001

(4):8210.

[7] 唐德栋,尤波,刘少剐.SCARA教学机器人的结构设计及运动学

分析[J].林业机械与木工设备,2002(3):13215.

[8] 蔡自兴.机器人学[M].北京:北京清华大学出版社,2000.

[9] 龚仲华,史建成,孙毅,等.三菱FX/Q系列P LC应用技术[M].北

京:人民邮电出版社,2006.

[10] 郭昌荣,吴作明.FX系列P LC的链接通信及VB图形监控[M].

北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[11] 张显库,张显库.VB实用编程技术:从基础到开发[M].大连:大

连理工大学出版社,1997.

[12] 张晋格.计算机控制原理与应用[M].北京:电子工业出版社,

1995.

[信息?简讯]

 ?产品介绍?

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江苏常州恒昌干燥设备有限公司根据市场行情研制开发1种干燥液态状物料的专用设备,即YPG系列压力喷雾干燥制粒机,受到用户欢迎。

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(汪焕心)

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由江苏常州创干微波干燥设备有限公司自主研制开发的CHG系列隧道式微波灭菌干燥机最近获得国家专利。

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该设备可用于粉状、颗粒状、片状或胶体状的食品、添加剂、调味品、营养保健品、农副土特产品等的干燥、杀菌,杏仁、板栗等的干燥脱皮、焙烤,休闲食品的膨化,口服液、酱菜、各种小包装食品的防霉、杀菌保鲜,冷冻鱼、肉禽的“回温”解冻,大豆的干燥脱腥。

(汪焕心)

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