教学型机械手的控制系统的研究(郑轩)

教学型机械手的控制系统的研究万书亭1，韩蕾1,郑轩2（1、华北电力大学机械工程学院，河北保定，071003；2、天威英利新能源有限公司，河北保定，071051）摘要：机器人是集电子学、机械学、计算机技术、自动控制等学科的典型产品。本文从教学角度出发，介绍了教学型机械手的总体结构，重点研究了基于PLC控制的控制系统并利用PLC的联网通信功能和VB的MScomm控件编写了上位机与PLC的通信程序，实现了监测机械手的目的。关键词：机械手，PLC控制系统，联网通信中图分类号：TP24文献标识码：ATheresearchofteachingmanipulatorcontrolsystemWanshu-ting1，Hanlei1，Zhengxuan2(1、SchoolofMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Baoding，071003，China2、ThecompanyofYinglisolar，Baoding，071051，China)Abstract:Robotisaproductthatgatherselectronics,mechanics,computerandcybernation.Thepaperthatstartsasteachingintroducesmanipulatorgrossstructure,researchesPLCcontrolsystemandusingMScommcompilescommunicationprogram,realizingmonitorthemanipulator.Keywords:manipulator,PLCcontrolsystem,netcommunication1.引言教学用机器人是一种适合大中专学生的具有开放式特征的实训实验平台。是多种高科技的融合，可以完成电工、电子、单片机、机械设计、传感器、机电控制、数字信号处理等许多课程的几百个实训实验。教学机器人的作用主要以展示机械结构、运动特征和功能关系为主。相对于工业机器人具有它的特殊性：首先，一台教学机器人相当于一个试验平台，要能显示多种运动性能。因此，应用环境广泛，功能多样。其次，其制造加上精度略低于工业机器人，且性价比高。另外，教学机器人体积小，重量轻[1]。因此，专用性强的工业机器人的研制方法不能满足这样的要求。本文采用慧鱼创意组合模型设计组建机器人本体结构，控制系统采用可编程序控制器，设计了一种的可扩展式教学机械手，具有造价低、调控容易、重复性好的特点。2.系统描述如图1所示，该机械手为三自由度圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂和手爪五部分组成。驱动方式均采用电气驱动，由直流伺服电机经减速器驱动传动部件，水平手臂和垂直手臂的传动采用丝杠螺母方式，将电动机的旋转运动转化为螺母的移动。腰部回转采用蜗轮蜗杆传动方式，蜗轮蜗杆传动一方面提供了减速功能，另一方面改变了旋转轴的方向。图1机械手结构示意图机械手的运行方式为手动和自动两种，用选择开关控制。系统的工作过程为：当选择开关处于手动位置时，手臂的升降、伸缩、腰部的回转、夹钳的张合等各动作流程进行点动控制；当选择开关处于自动运行位置时，机械手首先回到初始位置，接着水平手臂伸出，碰到限位开关后停止，然后垂直手臂下降，碰到下限位开关停止运动，手爪电机正转，夹紧工件，然后垂直手臂上升，碰到上限位开关停止，腰部顺时针旋转，直到碰到限位开关停止，手臂下降到下限位开关后，手爪电机反转，松开工件，最后垂直手臂再上升，水平手臂缩回，腰部逆时针旋转，回到初始状态。整个过程实现了将工件从A位置搬运到B位置。3.机械手控制系统设计本控制系统中有四个直流电机，可以使用单台PLC进行多个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC，就可以完全实现系统的控制功能。另外，为了用户直观方便的使用，需要给予上位机进行监控，所以采用如图2所示的控制结构。用于发讯息的开关如光电开关和行程开关作为PLC的输入信号，PLC的输出控制继电器，用于完成电动机的控制。图2机械手的控制系统框图3.1硬件设计机械手控制系统的核心是三菱FX2N－48MR型PLC。该PLC有24点输入，24点输出，输出接口为继电器型，处理每条基本指令的时间为0.08μs/步[2]。电动机与PLC一般是不直接相连的，PLC与接触器或者继电器的线圈相连。为了实现电动机的正反转及安全互锁等问题，PLC输出端子接中间继电器。本系统中间继电器选用HH54P，该继电器为直流继电器，具有4对常开常闭触点，额定电压为12V，能够满足电机互锁要求。PLC的I/O地址分配和硬件连接如图3所示。机械手的4个直流电动机分别控制腰部回转、水平手臂伸缩、垂直手臂升降和手爪的开合。垂直手臂电机由继电器KZ1和KF1分别控制上升和下降；水平手臂电机由KZ2和KF2分别控制手臂伸出和缩回；手爪张合电机由KZ3和KF3分别控制夹紧和松开；腰部回转电机由KZ4和KF4分别控制顺时针转和逆时针转。同时输出端设置了互锁，如PLC的输出端子Y0与正转继电器KZ1的线圈相连，再与反转继电器KF1的常闭触点相连，这就实现了手臂上升和下降之间的互锁，防止输出相反的两个继电器同时为“on”。控制系统还设置6个限位开关SQ1～SQ6，分别安装在机械手的腰部两侧、垂直手臂的最高位和最低位、水平手臂的最长位和最短位，用于检测机械手的位置，各个限位开关的作用如图3所示，机械手手爪的开合由PLC内部的时间继电器控制。为了便于生产加工和维修、调整，设置了工作方式选择开关SA。当开关置于“自动”位时，机械手将工件从一个位置搬运到指定位置卸下，并返回原位等待下一个工件到来，全部自动进行；置于“手动”位时，通过按钮SB3～SB10对机械手垂直手臂的升降、水平手臂的伸缩、腰部的回转、夹钳的放松、夹紧等各动作流程进行点动控制，各个按钮的作用如图2所示。同时，为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM，在PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通，出现紧急情况时用“紧急停车”按钮断开负载电源。图3机械手控制系统硬件连接图3.2软件设计机械手运行方式有两种，首先在控制面板上选择运行方式，如果选择了“手动”方式，程序按照手动程序运行，如果选择“自动”方式，程序首先检查机械手是否位于原点位置，也就是满足初始状态，满足的话则进入自动运行程序，不满足的话先完成回原点程序再进行自动程序的运行。控制系统的流程图如图4所示。图4控制系统流程图4.机械手监控系统设计目前的个人计算机一般都有两个串口（COM1和COM2），但其总线标准均为RS-232C，FX2N-48MR型可编程控制器本身具备一个8针的RS-422格式的编程口，因此PC机无法直接与PLC实现互连。为此需要采用一根SC-09型编程电缆，其功能就是进行RS-232C/RS-422变换，电缆的9针端连接在计算机串口上，另一端连接在PLC的RS-422编程口上，这样可编程控制器与个人计算机的串口就可以连接起来。在不购置专用通讯模块而仅用编程电缆连接的情况下，使用标准通信口RS-232C口与PLC的编程口进行1：1链接通信，再通过一定量的VB编程，可以实现PC与PLC的串行通讯，而且节约了成本。4.1通信协议（1）采用半双工异步通信方式，通过SC-09电缆进行信号的收发转换，传输的资料采用l6进制数据格式，其起始位、停止位、波特率等都可以在运行时根据需要进行调整。（2）计算机和PLC之间遵从严格的主从关系，通信时计算机首先发出读写命令，请求建立连接。三菱FX系列PLC编程口发送命令的通信协议命令帧格式如图5所示。其中，STX表示通信帧的开始，CMD表示命令码，DATA表示数据，ETX表示通信帧结束，SUM为累加和。（3）PLC接收到计算机发来的数据后，确信格式正确后，回发数据，由计算机进行处理。如连接失败，则直接告知计算机。以读命令为例，三菱FX系列PLC编程口成功响应读命令返回以STX为控制代码的报文，帧格式如图6所示，如果没有成功响应则是返回NAK报文。图5发送命令帧格式图6读命令接收帧格式4.2通信程序设计VB6．0不但提供了良好的界面设计能力，而且在微机串口通信方面也有很强的功能，它提供了具有强大功能的通信控件MSComm。该控件可设置用来发送和接收二进制数据或ASCII码数据，可对串口状态及串口通信的信息格式进行设置，实现对下位机地址和数据的接收和发送，达到通信的目的。MSComm控件有很多重要的重要属性，其中最主要的有：①CommPort属性：设置并返回通讯端口号，该属性需要在打开窗口前设置；②Settings属性：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位；③PortOpen属性：设置并返回通讯端口的状态，也可以打开和关闭端口；④Input属性：从接收缓冲区返回和删除字符，该属性在设计时无效，运行时为只读，⑤Output属性：向传输缓冲区写一个字符串，该属性在设计时无效，运行时为只读，按协议的要求以l6进制的格式发送和接收数据，采用查询法，通过时钟触发实现对PLC进行数据的适时采集[3]。在通信中，采用查询方式，通过InbufferCount属性值来判断输入缓冲区是否接收到所需的字符。在VB程序主要完成计算机通信格式的初始化，和校验码的计算函数SumChk()，井根据PLC通信协议，编制位元件的置位复位程序和读取程序，实现计算机控制和监测的目的。（1）程序的初始化PrivateSubForm_Load()WithMSComm1.CommPort=1‘选择串口1.Settings=9600,e,7,1‘设置参数：9600b，偶检验，7位数据位，1位停止位.RThreshold=1‘接收到的字符数大于等于1时产生接收事件.InputLen=0‘读出接收缓冲区所有内容.OutBufferCount=0‘清空发送缓冲区.InBufferCount=0‘清空接收缓冲区.PortOpen=True‘打开通信端口EndWithEndSub（2）和校验函数PrivateFunctionSumChk(Datsasstring)AsStringDimi,CHKasintegerDats=Dats+Chr(3)Fori=1ToLen(Dats)CHK=CHK+Asc(Mid(Dats,i,1))‘计算字符串的ASCII值之和NextiSumChk=Chr(3)+Right(Hex$(CHK),2)‘根据FX2N的协议，校验和取计算结果的后两位EndFunction4.3程序运行结果基于PC机和PLC通讯，开发了机械手的监控软件，对PLC实时输入输出即传感器的信号和电机运行信号提供了指示灯，进行实时采集，并控制机械手各部分的动作。运行界面如图7所示。图7机械手监控程序运行界面5.结论该机械手经过严格的PLC选型，合理的硬件配置及完善的程序设计，整体布局紧凑合理，程序运行可靠。同时监控软件利用VB进行开发实现了动态监控，增加了经济性和实用性，能够满足教学演示和实验的目的。参考文献[1]朱慧玲.教学机器人的开发与设计[J].机电产品开发与创新.2007，20（2）：17[2]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2006：15～18[3]范逸之.VisualBasic与RS232串行通讯控制[M].北京：中国青年出版社，2000：63～74作者简介：万书亭（1970～），男，籍贯：山西长治，华北电力大学机械工程系副教授，博士韩蕾（1982～），女，在读硕士研究生，研究方向：机械电子工程，Email:[e-mail]郑轩（1981～），男，助理工程师，主要从事设备管理通信地址：河北省保定市华电路689号华北电力大学二校区机械工程学院万书亭收。邮编：071003联系方式：13933896615Email：[e-mail]