（控制理论与控制工程专业论文）防风固沙机器人自动控制系统的研制.pdf

中文摘要 本文以国家“8 6 3 ”计划项目防风固沙草方格铺设机器人研究( 课题编号 2 0 0 2 a a 4 2 2 1 7 0 1 为背景。在当前沙漠化日趋严重的情况下，此课题的研究具有重要 意义。“防风固沙机器人”是一种能自动铺设方格形固沙草障的大型机器。它的插 草机构由液压和气压驱动，在可编程控制器的控制下，将草障自动插入沙土中， 以阻止沙子的流动。本项目已经于2 0 0 5 年1 1 月在内蒙古锡林郭勒盟试验成功。 本文主要介绍了“防风固沙机器人”自动控制系统的原理以及研制。首先， 介绍了国内外大型机械以及工业机器人的发展状况、发展趋势以及所涉及的相关 技术；之后系统的介绍了机器人整体的控制方案，它以西门子公司的可编程控制 器s 7 3 0 0 作为核心控制器，通过s 7 3 0 0 按照执行动作的逻辑顺序控制各个电磁阀 的通断，利用流体驱动各机构，完成铺设动作，并利用定位模板f m 3 5 3 结合高速 计数模板f m 3 5 0 控制步进电机，进行输送草的反馈控制；第三章介绍了横向机构 高度的控制方案，横向机构距地面的高度直接影响草障的插入效果，本文采用了 基于嵌入式单片机的模糊控制器来控制横向机构距地面的高度，使之不随地势的 变化而变化；第四章提出了一种利用液压伺服系统自动控制纵向插草机构的方法， 通过对系统模型的调节和仿真，证明这种方法的可行性；最后，介绍了系统软件 的设计。 关键词：p l c ；模糊控制；嵌入式；超声波测距；电液伺服控制系统；p i d a b s t r a c t 1 k sp a p e ri sb a s e do nam a r c h1 9 8 6p r o g r a m “t l l e 豫，e a r c ho fs 锄d f i x a l i o l l r o w ，( t h ep r o g r a mc o d ei s2 0 0 2 a a 4 2 2 1 7 0 ) h ld e 辩n i f i c a t i o nm o r ea n dm o 咒g r a v e l y t o d a y m e s e a f c ho f t l l i sp m j e c tl l a si m p o r t 锄ts i 卿f i c a n c e “s 姐d 矗x a t i o nr o b o t ”i sa b i gm a c l l i n et l l a tc a l lp a v eg r a s sb 痂e ra m o m a d c a l l yt op r e v e n tt l l es a n d 丘d mm o v i 】f l g ni s “v b yh y d m l i i i cp r e s s u r ea n da i rp r e s s u r e ，缸dc o n 们l l e db yp l c n ep r o j e c t h 硒b e e l lt e s t e ds u c c e s s 如l i yo nn o v 锄b e r2 0 0 5i ni 衄c rm o n g o l i a t h i sp a p e rm a i l l l yi n 仃o d u c e dt 量l ep f i n c i p l ea n dd e v e l o p i n go ft h es a n d - f i x a l i o f i r o b o t sc o m r o ls y s t e m f i r s t ，i “曲伽u c e dt l l e 抵，e l o p i n gs 切m sa n d 骶n do fb i g m a c l l i n e 狮di n d 嘣a lr o b o ta l lo v e ft h ew o r l d ；a n dt h e np 坞m e dt h ew h o l cc o m r o l h e m e ，t l l ec o r eo fi 乜c o n 廿o l l e ri ss 7 3 0 0p l c ，i ta c c o m p l i s h e da l la c t i o 璐1 h f 伽g l l c o n 仃0 l l i i l gt l l ee l e c 的m a g n e t i cv a l v 髂o fe v e r yj o i n ti no r d 鸭柚du s i n gf m 3 5 3 跚d f m 3 5 0c 伽n d lg r a 豁d e l i v e r i i l gs y s t e m 1 1 1 et l l i r dp a ni n 的d u c e d 坨h e i g h tc o i l 打o l s y s t c 】d ，t l l er o b o ti n l l s tk e 印i n gt l l ed i s t a i l c e 矗d mi 协e l ft ot l l eg r o u n di n _ 嘶a b l et 0 i n l p r 州e t h eq 砌时o f p a v i 喀i u s e d a f h 2 巧c o n 们l l e r b a s e d 蚰吼嘲b e d d e d m c u t o c o m r o li t ；t l l ef o n t lp a np 北s c n t e da l la p p r 0 ho f u s i n gh ”i m u i i cp f e s s u r es e r v os y s l e n l t oc o n 扛o lg r a s s i 璐e np a 吒“w a s 肿砌b ys i i 姗l 撕o n ；t h el a s tp a ng a v ct h cd e s i 粤i h g o f s o f l m ，黜 k 哆w 讲凼p 【c ；丘l z 巧c 伽正r o l ；e n l b e d c d ；u l 锄s o u n d ；e l e c n d h y d r a l l l i cs e r v oc 伽由【o l s y s t e m ；p i d 1 l 一 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉婆盔堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 弱勃 签字日期：枷7 年朔旧目 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕴江盔堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉婆盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 庇勃 签字日期：加7 年厂碉；。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：琵锍岌 签字目期：细，7 年5 月胗目 电话： ，；刀够形7 ； 邮编： 9 4 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 现在全球有l 3 的陆地被沙漠所占据，7 0 的干旱土地( 3 6 亿公顷) 遭受沙漠 化危害，全世界l 6 人口受到沙漠化的影响。从2 0 世纪7 0 年代以来，全球沙漠化 扩展趋势日益加剧，每年有6 0 0 万公顷土地变为沙漠，有2 0 0 0 万公顷土地受沙漠 化危害而完全丧失生产能力。我国是世界上受沙化危害最严重的国家之一。据中 国荒漠化灾害的经济损失评估统计，每年沙化造成的直接经济损失达5 0 0 巧o o 亿元。八大沙漠、四大沙地是我国主要的沙源地。南方沿江、河海也有零星沙地 分布。全国流动沙丘面积4 2 7 2 万平方公里，固定及半固定沙地4 6 3 0 万平方公里， 戈壁及风蚀劣地7 1 1 4 万平方公里。我国西北、华北、东北形成一条西起塔里木盆 地，东至松嫩平原西部，长约4 5 0 0 公里，宽约6 0 0 公里的风沙带，危害北方大部 地区，其扩展速度快、发展态势严峻。 1 2 课题研究的内容和意义 1 2 1 课题研究的内容 草方格铺设机器人有6 自由度，三站双循环，由可编程控制器与计算机相结 合实现了开、闭环控制，即有柔润伸缩又可刚性快速动作。该机器入可自动测距 并实时监控收集沙地表面信息，并根据这些信息实现实时反馈控制，从而高效高 质量地完成固沙铺设任务。该机器人在沙地上行走自如，工作时2 秒内可向前移 动l 米并能够顺利地按要求快速将草插入沙地形成3 个l 平方米方格形草沙障 ( 3 x l x l m 2 ) 。同时也可将沙柳或其它沙地植物随行栽入，草插入沙地的深度可为 2 0 4 0 c m ( 可自行调整深度) ，留在表面的草障高度为2 0 2 5 c i l l ，在沙地上形成草 方格立体沙障。 1 2 2 课题研究的意义 利用植物固沙不仅起到防沙治沙的作用，而且在改善生态环境，提高资源产 1 黑龙江大学硕士学位论文 出效益上有很大的功效1 1 1 。 我国目前防沙障均采用人工铺设，每人每天平均可铺设2 0 0 平方米左右，而 且受到天气条件、工作地点等条件制约，铺设效率很低。草方格铺设机器人是一 种大型的、高效率的机械化设备，该机生产效率为每小时4 5 0 0 l n 2 5 6 0 0 m 2 ( 为 l m l m 草方格沙障) ，为人工的1 4 0 2 8 0 倍，大大的提高了铺设效率，对改善沙 漠化环境有着重要意义。 1 3 国内外同类课题研究现状及发展趋势 1 3 1 发展现状 1 3 1 1 机械结构 以关节型为主流，8 0 年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量 的l 3 。9 0 年代初开发的适应于窄小空问、快节奏、3 6 0 度全工作空间范围的垂直 关节机器人大量用于焊接和上、下料。c a d ( c o m p u t 盯a i d e dd e s i g n ) 、c a e ( c o m p u t 盯 a i d e de n g i n e 响g ) 等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。 1 3 1 2 机器人控制技术 ( 1 ) 控制技术 大多数采用3 2 位c p u ，控制轴数多达2 7 轴，n c ( 数字控制系统) 技术、 离线编程技术大量采用。 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正 逐步实现多智能体的协调控制。 采用基于p c ( p e r s o r l a lc 0 m p u t 盱) 的开放结构的控制系统已成为一股潮流， 其成本低、具有标准现场网络功能。 ( 2 ) 驱动技术 8 0 年代发展起来的a c 伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。 d d 驱动技术则广泛地用于装配机器人中。 新一代的伺照电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合己由f a j c 等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 第1 章绪论 ( 3 ) 应用智能化传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有 些机器人留了多种传感器接口。 ( 4 ) 通用机器人编程语言 在a b b 公司的2 0 多个小型号产品中，采用了通用模化块语言黜心l d 。最近 美国“机器人工作空间技术公司”开发了r o b o t s c r i p t v l 0 通用语言，运行于该公 司的通用机器人控制器的w i nn t 9 5 环境。该语言易学易用，可用于各种开发环 境，与大多数w i n d o 粥软件产品兼容。 ( 5 ) 网络通讯方式 大部分机器人采用了e 吐l e m e t ( 以太网) 网络通讯方式，占总量的4 1 3 ，其 它采用r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s - 4 8 5 等通讯接口。 1 3 2 发展趋势 ( 1 ) 机器人的性能不断提高，具体表现在高速度、高精度、高可靠性以及便于 操作和维修等方面，单机价格不断下降。 ( 2 ) 机械结构向可重构化、模块化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速 机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 国外已有模块化装配机器人产品问世。 ( 3 ) 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构：大大提高了系 统的可靠性、易操作性和可维修性。 ( 4 ) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传 感器外，还应用了视觉、力觉、触觉、味觉等多种传感器，采用多传感器的融合 技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合技术在产品化系统中已有成熟应 用。 ( 5 ) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到过程控制的实际应 用，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 6 ) 当代遥控机器人系统的发展支持以人为核心的生产系统，致力于操作者与 机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统， 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 1 4 相关技术介绍 1 4 1 p l c ( p m g 随m m a b l el o g i cc o n t r o n e r ) 技术 p l c 即可编程控制器，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操 作的工业计算机。它采用可以编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、 顺序运算、计时、计数和算术运算操作等指令，并能通过数字式或模拟式的输入 和输出控制各种类型的机械或生产过程。 p l c 具有可靠性高，抗干扰能力强；功能完备，适用性强；接口容易，编程 语言简单易学；体积小，功能强，易于维护等优点。经过近3 0 年的发展，它已经 成为应用最为广泛的工业计算机，被成熟的应用在机械制造、石油化工、冶金钢 铁、汽车、轻工业等现代工业现场1 2 】。 1 4 2 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统，对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统，它 是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。它主 要由硬件和软件两部分组成，嵌入式系统的硬件部分包括处理器、存储器及外设 器件和i ，o 端口等；软件包括操作系统和应用软件。操作系统一般应该具有较强的 实时性，并能对多任务进行管理。嵌入式系统同通用型计算机相比，有如下特点1 3 】： ( 1 ) 专用性强。 嵌入式系统通常是面向某个特点应用的，所以嵌入式系统的硬件是为特定用 户群专门设计的，它通常都具有某种专用性的特点。 ( 2 ) 可裁剪性。 嵌入式系统的硬件和操作系统都必须设计成可裁剪的，以便用户可根据实际 第1 章绪论 需要来裁剪，除去冗余部分，使得系统尽量精简。 ( 3 ) 实时性与可靠性。 嵌入式系统的软件都固化在存储器芯片或单片系统的存储器里，可以快速的 响应外部事件，同时大大提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 低功耗。 1 4 3 流体传动与控制技术 流体传动与控制技术是现代机械工程的基本技术构成，也是现代控制工程的 基本要素。它在现代农业、制造业、能源工程、化学与生产工程、交通运输与物 流、军事国防工程等领域获得了广泛的应用。流体传动与控制技术是依靠液体或 气体作为介质，实现信息、运动、力能传递与控制的技术。它基于流体力学、机 械制造、机械学、运动学、动力学、工程材料学、控制理论等学科。2 0 世纪下半 叶以来流体传动与控制技术又与电子和信息技术相结合，发展了机械电子一体化 的器件与系统嘲。其中，气动与液压技术是现代传动与控制的关键技术之一。 液压技术是以油液为工作介质，靠处于密闭容器内的液体静压力来进行能量 和信号传递，从而实现生产过程自动化的一门技术。液压系统具有传动惯性小、 出力大、响应快等优点，同时也存在维护性差、漏油等缺点( 4 】。一个完整的液压 传动系统主要包括一下五部分： ( 1 ) 能源装置 它供给液压系统压力油，将机械能转化为液压能。最常用的能源是置是液压 泵。 ( 2 ) 执行装置 它是把液压能转换成机械能来驱动工作机构的装置。常用的执行装置有液压 缸、液压马达。 ( 3 ) 控制调节装置 它对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节。例如换向阀，电液伺 服阀等。 黑龙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 辅助装置 上述部分之外的其它装置，例如油箱、油管、滤油器等。 ( 5 ) 工作介质 传递能量的液体，即液压油。 气动技术以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程 的自动化。它包含气压传动和气动控制两方面。气动技术具有成本低、结构简单、 工作可靠、无污染、便于维护等优点。气动系统的结构与液压基本相通，只是将 介质换为压力气体。 1 4 4 传感器与检测技术 传感与检测是从自然信息源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门 多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别、规划设计、 开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。信息获取的来源主要是依靠传感器， 所以传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息数量和信息质量， 直接影响到系统的精度问题。随着工业自动化领域的不断发展，对传感器迸一步 提出了数字化、智能化、标准化的高要求5 1 。 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 2 1 防风固沙机器人的性能要求 防风固沙草方格铺设机器人，长1 5 5 米、宽4 米，由主机、牵引机械动力源、 纵向插草机构、横向插草机构等构成。该机器人拥有6 自由度、三站( 气压站、 液压站和自各电站) 双循环。能够快速将草插入沙地形成3 个1 平方米方格形草 沙障( 3 1 1 m 2 ) 。草插入沙地的深度可为2 o c n l ( 可自行调整深度) ，留在表面的 草障高度为2 0 2 5 c m ，在沙地上形成了草方格立体沙障，而且该草方格沙障的尺 寸是可调的( 调节范围o 8 m 3 m ) ，还可根据需要将滴灌管道同时埋入草方格中， 以利于进行生物治沙。其具体性能要求如下： 机器人分4 个档位，分别是手动、纵向单动、自动和停止。手动档的作用是分 别调节各个环节单独工作，互不影响，主要在硬、软件调试的时候使用该档位。 纵向单动档位使纵向机构单独工作，主要用于调节纵向送草量。一般在整个机 器自动运行的开始阶段要使用纵向单动档来调节草帘就位。自动档就是机器人 正常工作时的档位。 机器人以o 5 米，秒向前运动，并在2 秒钟完成一个动作周期。 每个动作周期分别完成纵向插草、横向输草、横向送草、横向压草、横向剪草 和横向插草。 每个周期铺设3 个1 平方米方格形草沙障( 3 1 l m 2 ) 。 草插入沙地深度为2 0 4 0 啪；留在表面的草障高度为2 0 2 5 c i i l 。 草辊用完之后能自动替换备用草辊。 每个周期横向机构都可以自动测量距离地面的高度，并调整自身使距地高度保 持恒定，高质量完成插草动作。 能对各个关键部位进行监控。 防风固沙机器人外形如图2 1 所示： 黑龙江大学硕士学位论文 l5 l 牵引车 4 控制柜 2 自各电站3 纵向机构 5 横向机构 图2 - 1 防风固沙机器人外形图 f 嘻2 lt h ea l i c l i mo f s a n d - 矗x a t i o nr o b o t 2 1 1 纵向机构 纵向机构的机构图如图2 2 所示： 图2 2 纵向机构结构图 f i g 2 - 2n ec o n f i g i l 刎o f v e n i c a is y 咖 纵向机构主要完成插入草方格纵格的动作。它包括测距棘轮、纵向压轮及其 液压缸、纵向换草机构及气缸、纵向输草机构。测距刺轮为周长l 米的金属轮， 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 轮外侧有一对接近开关，刺轮每转一周即机器人行走1 米发出一个电信号，表示 一个动作周期的开始。纵向压轮在压轮液压缸的推动下将草帘压入沙土表面 2 0 4 0 c m 深，随着机器向前移动，纵向压轮完成插草方格纵格的任务。纵向机构 内共有2 组草辊，当一组草辊用完之后，换草机构在换草气缸的带动下将自动替 换备用草辊。纵向输草机构为一个交流电机和它带动的橡胶滚轮，它们将草辊的 草帘带下，并送给纵向压轮。 2 1 2 横向机构 横向机构结构如图2 - 3 所示： 3 4 5 l 岸辊2 横向送草滚轮3 插刀及插刀气缸 4 剪刀及剪刀气缸5 横向输草滚轮 图2 3 横向机构结构图 f 培2 31 1 1 ec o i l f i g u 枷o no f h 嘶t a 】s y s t e m 横向机构主要完成插草方格横格的动作。横向机构在液压缸的推动下能上下 移动约0 5 m 的高度。它主要由横向插草机构及插草气缸、横向剪草机构及剪草气 缸、压草机构、横向输草机构、横向送草机构、横向换草机构组成。每当一个动 作周期开始时，横向机构接收到“l 米”信号，横向送草机构和横向输草机构同时动 o 黑龙江大学硕士学位论文 作，分别向3 个插刀输送1 米的草帘，此时压草机构将草帘压住，剪草机构将草 绳剪断，形成3 个1 平方米的草帘，再由横向插革机构插入沙土当中，一个动作 周期结束，为时2 秒钟。横向送草机构由步进电机及其带动的橡胶滚轮构成，它 带动草帘向下移动，并送入横向输革机构。横向输草机构由步迸电机、橡胶滚轮 及皮带构成，它向插刀运送草帘。横向换草机构由1 个交流电机及2 个限位开关 组成，完成换草动作。压草机构由电磁铁构成，它能将草压住，辅助剪草剪刀进 行剪草。 2 1 3 横向输送草系统 横向输、送草系统如图2 4 所示： 图2 4 横向输、送草系统 f i g 2 4g m sd e j i v e r i n gs y s 咖l 整个横向输、送草系统由位于上部的输草系统和下部的送草系统组成。输草 系统由三对橡胶滚轮组成，它们在步进电机的带动下，将革辊上的草帘输送到它 下面的导向槽中，草帘从导向槽的出口出来进入横向送草系统。横向送草系统由3 组橡胶滚轮和皮带组成，滚轮在步进电机的驱动下带动皮带转动，而皮带将其上 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 面的草帘送到相应的插刀下，以备横向插草之用。 2 2 防风固沙机器人自动控制系统设计方案 2 2 1 防风固沙机器人液压系统设计 2 2 1 1 系统要求 横向机构高度能够上下调节。 纵向压轮动作根据入沙地深浅进行上下调节。 纵向压轮的4 个液压缸既可单独工作，也可以一起工作。 测距刺轮高度能上下调节。 2 2 1 2 液压系统工作原理 防风固沙机器人的液压系统的控制调节装置选择三位四通弹簧对中式电液换 向阀，其结构和符号如图2 5 所示。 x r p by 图2 5 三位四通液换向阀的结构及其符号 f 嘻2 - 5t h ec o n f i g u 斌i o no f n 眦p o s 谢o nf o i | rw 帮训v e 锄di 拓s j 鄂a l 它的主阀有4 个油口p 、t 、a 、b ，p 口与油源相接。主阀芯两端分别与三位 四通电磁先导阀的两个控制油口相通，当先导阀b 通电时，先导阀的阀芯向左移 动，使压力油经先导阀进入主阀左端容腔，并推动主阀阀芯向右移动，主阀阀芯 右端容腔中的油液通过内部管道从t 口流回油箱，这时p 口和b 口导通；反之， 当先导阀a 通电时，p 口和a 口导通。当两个先导阀都不通电时，先导阀阀芯在 弹簧的作用下回到中位，此时来自主阀p 口的压力油不再进入主阀的左、右两空 黑龙江大学硕士学位论文 腔，主阀阀芯在弹簧的作用下回到中位，p 口与a 口、b 口不再导通【4 1 。 2 2 1 3 工作过程 分别用y 1 d t a 、y l d 伯、y l d t c 和y 1 d t d 四个三位四通阀控制四个纵向压 轮，用y 3 d t 、y 4 d t 控制测距刺轮，用y 5 d t 、y 6 d t 控制横向机构。 当机器人开始工作时，首先需要测距刺轮下降到沙土表面的高度，这时使 y 3 d t 得电：工作结束时测距刺轮收回，使y 4 d t 得电。横向机构上升时使y 5 d t 得电；下降时使y 6 d t 得电。y 1 d t a 、y 1 d t b 、y l d 惋和y l u r d 分别控制纵向 压轮a 、b 、c 、d 的伸出；y 2 d t 8 、y 2 d t b 、y 2 d ，r c 和y 2 d t d 分别控制它们的收 回。执行元件的动作与电磁阀通电状态的关系表如表2 1 所示； 表2 1 液压动作 t a b i e 2 一lh y d r 叫1 i cp r e 蟠u r e 粒t i 电器元件状态 执行元件动作状态 y 1 d ty 2 d ty 3 d ty 4 d ty 5 d ty 6 d t 纵向压轮伸出 纵向压轮收回 、， 测距刺轮伸出 、， 测距刺轮收回 、， 横向机构上升 横向机构下降 、 2 2 1 4 液压设计方案 液压原理图如图2 6 所示 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 图2 - 6 液压原理图 f i g 2 - 6h y d l a u l i cp r e s s u f ep 渤c i p j e - 1 3 - 专 譬 暂 离 簿 善 雷 斗 母 整 积 量 簿 薄 酋 盛 哥 薯 葚 善 首 黑龙江大学硕士学位论文 2 2 2 防风固沙机器人气动系统设计 2 2 2 1 系统要求 测距刺轮在地面每行进l 米时，插草、剪草动作一次。 剪草、插革几乎同步进行。 压紧气缸先伸出，收回后，供料气缸先收回，换草时伸出。 当出现不正常动作，所有气缸都停止运动或自动复位，修正后重新开始动 2 2 0 2 气动系统原理 防风固沙机器入的3 个插草插刀、3 个剪刀、4 个供料系统和4 个助力压紧系 统都由气压驱动，利用三位五通电磁阀控制插刀，二位三通阀控制供料系统和助 力压紧系统，利用二位二通阀将废气排入大气。三位五通阀如图2 7 所示： 1 、7 一电磁铁2 、6 一控制活塞3 、5 一弹簧4 一滑柱 匿磁 图2 7 三位五通阀结构及其符号 f i 晷2 - 7t h ec o n 6 删i 佃o f l r c c p 吲t i o nf i v ew a y v a l v e 卸di 乜s y m b 0 i 在没通电时，由于两个弹簧的作用，滑柱处于中问封闭位置。当电磁铁1 通电时， 电磁阀换向：p a 接通，b 0 2 排气；同理当电磁阕2 通电时，p b 接通，a o 排气1 4 j 。 图2 8 为常闭式二位三通阀，电磁铁的动铁心两端装有密封橡胶，上下两个阀 座。当电磁铁断电时，下面的阀座被封住，p a 通路关闭，a 一0 通路打开；当 电磁铁通电时，上面的阀座被封住，p a 通路打开，a o 通路关闭【4 】。 第2 章防风同沙机器人总体方案设计 0 手动杆 电磁线 可动铁心 弹簧 图2 8 二位三通阀的结构及其符号 f 嘻2 - 81 1 1 ec 如6 9 u m t i 仰o f 铆呻o s i 矗o n 恤w a yv a l v e 锄di 乜s 蛐b o l 图2 9 为二位二通阀，即通电时通路导通，断电时通路不导通【4 】。 田田 图2 - 9 二位二通阀的结构及其符号 f i g 2 91 1 1 ec o n f i g u r a t i 彻o f 铆o _ p o s i t i o nt w ow a yv a l v e 锄d 砥s y m b o l 2 2 2 3 工作过程 ( 1 ) 换草机构设计 当系统运行时，4 个助力压紧气缸在弹簧压力的作用下将助力压紧转轮压在草 辊上，助力压紧转轮在交流电机的带动下转动，靠自身与草辊间的摩擦力帮助草 辊转动，为纵向压轮送草。当草辊用完时，电磁阀1 4 d t 、1 5 d t 、1 6 d t 、1 7 i ) t 同 时得电，使得4 对供料气缸同时缩回，备用草辊在重力作用下滑落，代替用完的 黑龙江大学硕士学位论文 草辊；与此同时1 0 d t 、1 1 d t 、1 2 d t 、1 3 d t 同时得电，气压推动助力压紧转轮复 位，以容纳新草辊就位。之后1 0 d t 、l l d t 、1 2 d t 、1 3 d t 、1 4 d t 、1 5 d t 、1 6 d t 、 1 7 d t 同时失电，4 对供料气缸同时伸出，4 个助力压紧转轮重新在弹簧压力作用 下压紧草辊，整个换草动作结束。 ( 2 ) 剪草、插草设计 三个横向插草插刀分别由三个3 位5 通阀控制，l d t 、3 d t 、5 d t 控制3 个横 向插刀插草，2 d t 、4 d t 、6 d t 控制3 个插刀收回。 三个剪草剪刀由分别由三个2 位3 通阀控制，7 d t 、8 d t 、9 d t 控制剪草，气 缸内气体通过快开阀排入大气。 当开始剪、插草时，l d t 、3 d t 、5 d t 、7 d t 、8 d t 、9 d t 同时得电，完成剪 草和插草动作；之后1 d t 、3 d t 、5 d t 、7 d t 、8 d t 、9 d t 同时失电，2 d t 、4 d t 、 6 【玎同时得电，使3 个插刀气缸缩回。 插草气缸伸出时1 9 d t 、2 l d t 、2 3 d t 同时得电，使气体通过二位二通阀排入 大气中； 插草气缸缩回时1 8 d t 、2 0 d t 、2 2 d t 同时得电，使气体通过二位二通阀排入 大气中。 2 2 2 4 气动设计方案 气动原理图如图2 1 0 所示： 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 图2 1 0 气动原理图 f i 舀2 1 01 1 把p n c i p l eo f a i rp m s s u 糟 - 1 7 前懈a 旨1 _ 赫艟a 旨n 赫世a 雷 黑龙江大学硕士学位论文 2 2 3 防风固沙机器人输送草系统设计 2 2 3 1 系统要求 横向输、送草系统接到指令时同时启动。 步进电机的脉冲频率为8 5 0 h z 。 当送草长度达到l m 时，输、送草步进电机停止。 2 2 3 2 输、送草设计方案 系统原理框图如图2 1 1 所示，当需要启动横向输、送草动作时，f m 3 5 3 发出 指令脉冲，步进电机驱动器接收指令脉冲并输出一组能驱动步进电机的脉冲信号， 步进电机在驱动器的驱动下以程序设计的速度转动，带动相关的滚轮和皮带开始 输、送草动作，f m 3 5 0 1 通过计旋转编码器输出的脉冲信号个数计算输、送草的 长度当输送草达到1 米时，f m 3 5 0 1 通知c p u 停止输、送草动作，一个动作周期 结束。 图2 1 1 横向输、送草系统框图 f i 辱2 l l1 1 1 es y 辩m b l o c kd j a g r 啪o f 粤掷d e l i v a j n g s y 蜘 系统由可编程控制器、执行机构两部分组成： 可编程控制器部分采用西门子s 7 3 0 0 系列，由电源模块、c p u 、定位模块 f m 3 5 3 、高速计数模块f m 3 5 0 1 、高速输入、输出模块、旋转编码器组成。 执行机构由步进电机驱动器和步进电机组成。步进电机驱动器将从f m 3 5 3 接 收的脉冲信号转化为步进电机的驱动信号。步进电机带动滚轮等执行机构完成输、 送草动作。 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 2 3 西门子s 7 0 0 0 系列p l c 及s t e p 7 软件介绍 2 3 1 西门子s 7 _ 3 0 0p l c 简介 s 7 3 0 0 是一种通用型、模块化的中小型p l c ，它能满足中等性能要求的应用， 能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是生产制造工程中的应用。它采用的 模块化，无排风扇结构，易于实现分布式的配置方式和易于用户掌握等特点，使 得s 7 3 0 0 能为各种中、小规模控制任务提供即方便又经济的解决方案。s l m a n c s 7 3 0 0 主要应用在专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系 统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业【2 1 。 s 7 3 0 0 由多种模块部件组成，多种的性能递增的c p u 和丰富的且带有许多方 便功能的i ，o 扩展模块，使用户可以完全根据设计应用选择合适的模块。各种模块 能以不同的方式组合在一起，从而更加灵活的实现不同的功能。当任务模块扩大 并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对p l c 进行扩展。 2 3 1 1 系统组成 s m 蜘cs 7 。3 0 0 可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可根 据控制工艺要求广泛的组合搭配。 压玉矗，压萄臣由r 图2 - 1 2s 删cs 7 3 0 0 可编程控制器构成图 f j g 2 1 2t h e 湖p o s i i l go f s m 瞵n cs 7 3 0 0p l c 如图2 - 1 2 所示，西门子s 7 - 3 0 0p l c 系统主要包括：导轨( r 丑c k ) 、电源模块( p s ) 、 中央处理单元( c p u ) 、接口模块( 1 m ) 、信号模块( s m ) 、功能模块( f m ) 、通信处理器 l 黑龙江大学硕士学位论文 ( c p ) 等嘲田。 2 3 1 2 模块功能 ( 1 ) 导轨( r a c k ) s 7 - 3 0 0 的模块机架( 起物理支撑作用，无背部总线) 。 ( 2 ) 电源模块( p s ) 可以将交流电压( 1 2 0 v ，2 3 0 v ) 转换为2 4 v 直流工作电压，为s 7 - 3 0 0 c p u 和2 4 v 直流负载电路( 信号模块、传感器、执行器等) 提供电源。 ( 3 ) 中央处理单元( c p u ) 中央处理器如图2 1 3 所示。它用来执行用户程序；为s 7 3 0 0 背板总线提供 5 v 电源；在m p i 网络中，通过m p i ( 多点接口) 与其他m p i 网络节点进行通讯。 1 负载电源 4 存储器卡 2 2 4 v 直流电源连接 5 状态和故障指示灯 3 模式开关 6 m p i 多点接口 图2 - 1 3s i m a t l cs 7 3 0 0c p u 单元 f i 9 2 一1 31 1 1 ec p u o fs i m a l l cs 7 - 3 0 0 ( 4 ) 接口模块( i m ) 连接s 7 3 0 0 的各个机架。 ( 5 ) 信号模块( s m ) 使不同级的过程信号电平和s 7 3 0 0 的内部信号电平相匹配。有数字输入模块、 数字输出模块、数字模块、模拟输入模块、模拟输出模块、模拟i o 模块，它 们用前连接器互相连接 ( 6 ) 功能模块( f m ) 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 用于时间要求苛刻、存储器容量要求较大的过程信号处理任务，例如定位或 闭环控制功能。 ( 7 ) 通信处理器( c p ) 扩展中央处理单元的通讯任务，例如c p 3 4 2 5 d p 与p r o f i b o s d p 的连接。 2 3 2s t e p 7 软件简介 s t e p 7 是用于s l m a t i c 可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它主要 有以下功能1 8 1 ： 建立和管理项目 对硬件和通讯做组态和参数赋值 管理符号 创建程序，例如为s 7 可编程控制器创建程序 下载程序到可编程控制器 测试自动化系统 诊断设备故障 s n l p7 标准软件包如图2 一1 4 所示，它提供了一系列的应用程序( 工具) ： 图2 1 4 s t e p 7 标准软件包 f 追2 1 4t h e1 1 0 n n a ls o f h a 佗p k a g eo f s l e p 7 s 1 1 m a n c 管理器 s t i m 棚cm 肌a g e r ( s t m 协：n c 管理器) 可以管理一个自动化项目的所有数 据。无论是为哪个可编程控制系统( s 7 m 7 ，c 7 ) 设计的。编辑所选数据所需要的工具 由s 1 r i m a = n cm a i l a g e r 自行启动。对于用户来说，s 1 1 m 棚c 管理器提供了s t e p7 标准软件包的集成、统一的界面。 黑龙江大学硕士学位论文 符号编辑器 使用s y m b o le d i t o r ( 符号编辑器) ，可以管理所有的共享符号。它可以为过程 信号( 输入输出) 、位存储和块设定符号名和注释，具有分类功能。使用这个工具 生成的符号表可供其它所有的工具使用。 诊断硬件 这些功能可以向你提供可编程控制器的状态概况。这个概况中可以显示符号， 指示每个模板是否正常或有故障。 编程语言 这个编程软件中集成了梯形逻辑图( l a d d e rl o 百c ) 、语句表( s 诅t e i n 朋tl i 鲫和功 能块图( f 吼c 在o nb l o c kd i a g r a m ) 这三种编程语言。 硬件组态 这个软件包可以为你的工程的硬件进行组态和参数赋值 n e t p r o ( 网络组态) 用于组态通信网络连接，包括网络连接的参数设置和网络中各通信设备的参 数设置。 2 3 3s t e p 7 的结构化编程 用户程序由启动程序、主程序和各种中断相应程序等不同的程序模块构成。 操作系统在上电后首先执行启动程序，然后循环的执行主程序，它采用事件驱动 的程序结构，即当一个时间发生时，会产生一个中断( 例如硬件中断、错误中断、 软件中断) ，操作系统会自动调用这个中断的处理程序1 9 】。 结构化的用户程序以“块”的形式实现。块是一些独立的程序或者数据单元， s 1 1 弹7 中主要有一下几种类型的块： 组织快o b ( o r g a n i z a t i o nb l o c k ) 0 b 是直接被操作系统调用的用户程序块，o b l 是对应于虚幻执行的主程序 块，是s t e p 7 的主干，代表最高的编程层次，优先级最高。 功能f c ( f l l l l c t i o n ) 和功能块f b ( f 吼c t i o nb l o c k ) 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 它们都是用户自己编写的程序模块，可以被其他程序块( o b 、f c 和f b ) 调用， f c 与f b 的不同在于f c 不带自己的存储区( d b ) 而f b 带。 数据块d b ( d a t a b l o c 心 d b 存储程序相关的数据，如地址、符号等。 2 4 防风固沙机器人自动控制系统硬件的设计方案 2 4 1 p l c 输入输出点的确定 2 4 1 1 输入点的确定 输入点数由想控制的动作数量决定，根据本方案所控制的动作，输入点由表 2 _ 2 所示： 表2 - 2 p l c 输入点 t a b l e 2 - 2n e i n p m p o i n to f p l c 纵向纵向纵向纵向测距横向横向横向 插草a插草b插草c插革d刺轮机构插草剪草 上升上升上升上升上升上升点动点动 下降下降下降下降下降下降压剪插 纵向纵向纵向纵向横向横向横向换草 压轮换草压草送草送草输草换草返回 压紧点动点动送l 米送1 米输l 米换草返回 离开送草停止停止 上表中共2 7 个输入点，在加上停止、手动、自动和单动4 个档位控制；2 个换草限位开关；一个非接触开关。因此，本方案一共有3 4 个输入点。 2 4 1 2 输出点的确定 输出点由被控对象的数量决定。防风固沙机器人的被控对象共分3 类：气动 部分、液压部分和电气部分。 ( 1 ) 气动部分 黑龙江大学硕士学位论文 表2 - 3 气动部分输出点 t a b l e 2 3t h eo i i 钠i t - p o i n to f a i rp 他s s i l r cp a n 横向插草 横向剪草纵向压轮纵向换草 1 d t7 d t1 1 d t 1 4 d t 3 d t8 d 吓1 2 d t 1 5 d t 1 3 d t1 6 d t 5 d t9 d t 1 4 d ，r1 7 d t 表2 4 液压部分输出点 t 曲l e 2 41 1 1 e0 | 秘耐m o f h y d 糟u l i cp r e 镕u r ep a r t 纵向插草a纵向插草b纵向插草c纵向插草d测距刺轮 横向机构 y 1 d 1 a y 1 d t by 1 d t y 1 d t dy 3 d ty 5 d t y 2 d t ay 2 d t by 2 d 1 by 2 d t dy 4 d t y 6 d t 表2 - 5 电气部分输出点 t 西i e 2 - 4n eo u t p 毗p o m to f e i e c 埘cp a n 横向压草纵向送草 横向送草横向输草横向换革换草返回 1 8 d t1 9 d t 2 0 d t2 l d t2 2 d t2 3 d t 1 2 个控制点。因此整个系统需要3 2 个控制点。 综上所述，p l c 需要至少需要3 2 个输出点，3 4 个输入点。 2 4 2 硬件的选型 2 4 2 1p l c 模块的选择 根据2 4 1 节所确定的输入、输出点数和控制流程，选择p l c 模块如下： ( 1 ) c p u c p u 选择c p u 3 1 4 ，它是一种紧凑型c p u ，带集成的数字量和模拟量的输入 和输出，适用于具有较高要求的系统中，带有与过程相关的功能。额定供应电压 为2 4 v d c 。 ( 2 ) 电源 第2 章防风固沙机器人总体方案设计 电源选择p s3 0 7 电源模块(