三自由度机械手下位机与上位机控制系统的设计.doc

基于下位机与上位机三自由度机械手控制系统的设计
The Design of Manipulator Control System of Three DOFs Based on Hypogynous and Host
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、旋转基本指令，并且PLC技术的控制能力强，能实现模拟量的控制，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，此次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
ABSTRACT
As the 3-DOF manipulator can be completed in three-dimensional space, lifting, shifting, rotating the basic instructions, and the PLC control technology, strong ability to achieve control of analog, high reliability, strong anti-jamming capability, programmable, etc., so PLC control system, as this selection of the next-bit machine, used to control the relatively harsh environment of mechanical movement of the hands.
Meanwhile, in order to adapt to real-time, improve their work efficiency, this system also uses a microcontroller as the host computer and the PLC serial communication with VB software
Key words: 3-DOF mechanical hands-bit machine host computer serial communication.
0.概述
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需要，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，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。是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RS2232与RS2422信号间的相互转换。FX 系列PLC 提供一个RS2422 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SWOPC2FXGPöWIN2C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。硬件连接图如图1所示。

运动状态显示
PLC
限位开关
交流电机驱动器
交流电机
机械手
SC09
PC机
物体

图1 系统硬件连接图

1.2系统硬件选型
此次机械手电机的驱动部分使用型号为SH-2H057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，下一步工作就是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FX2N-80MR，三菱FX2N-80MR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。FX2N-80MR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FX2N-80MR系列PLC作为下位机。
1.3 PLC的I/O部分
根据此次机械手的控制要求，机械手的PLC输入输出电气接口如图2所示。其中在PLC输入输出电气接口图中，SQ1-SQ6是6个磁性开关，SB1、SB2分别是启动、停止开关。Y000-Y006分别接触器KM0-KM6。而Y007-Y014是输出状态的状态显示灯，用于显示状态。

X001
X002
X003
X004
X005
X006
X007
X008
SB1
SB2
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
SQ5
SQ6
Y009
Y001
Y010
Y011
Y012
Y002
Y003
Y004
Y008
Y007
Y006
Y005
KM1
KM2
KM3
KM4
KM5
KM6
HL1
HL2
HL3
HL4
HL5
HL6
FX2N-80MR
启动
停止
下限位
顺旋限位
伸出限位
上限位
逆旋限位
缩回限位
下降
上升
伸出
顺旋
逆旋
缩回
上升
逆旋
缩回
下降
伸出
顺旋
Y000
KM0
夹紧

图2 PLC输入输出电气接口图

1.4 PLC与上位机的连接
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RS2232与RS2422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。硬件连接图如图3所示。
FX2N系列 PLC
SC209转换接口
个人计算机

图3 上位机连接图

2. 软件部分的设计
2.1控制系统状态转移图

S2
S20
M8041
M8044
状态转移开始
原点位置条件
Y001
下降
X003
下限位
SET
Y000
夹紧
T0
S21
T0 K10
X005
S22
上限位
X004
S23
伸出限位
X006
S24
顺旋限位
X003
S25
下限位
T1
S26
X004
S27
上限位
X007
S28
逆旋限位
X010
S29
缩回限位
Y002
上升
Y003
机械手伸出
Y004
底盘顺旋90°
Y007
下降
Y002
上升
Y005
底盘逆旋90°
Y006
机械手缩回
RST
Y000
放松
T1 K10

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 II 码进行数据传输, 通信波特率9 600 bp 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的所需数据; 写数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M SComm , 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T imer1 的时间中断事件T imer1_ T imer () , 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。另外此次设计中设计了上位机与下位机的通信设计，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：
[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].第三版.北京：机械工业出版社，2006.04.105
[2] 詹贵印，周红梅.三自由度液压机械手的PLC控制研究[J].装备制造行业应用,2007.07(3)
[3] 范逸之. 利用V isual Basic 实现串并行通信技术[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2001.
[4] 朱绍祥，王宏生等编译.可编程控制器（PC）原理与应用[M].上海交通大学出版社，46
[5] 吴振明.门式起重机小车走行限位开关的改进[J].中国自动化报，2005.06（5）

作者简介：
王晓平（1983—） 男 汉 山东烟台 硕士 天津工业大学
研究方向：信号处理与监测装置 导师：李小京