（森林工程专业论文）草方格铺设机器人控制系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 可编程控制器( 1 ，l c ) 作为控制系统的核心装饿，其功能强大、性能稳定靠。：乱脱 代机电一体化产品控制i = i ：i 得到广泛应用，取得了趄l ! 恕的控制效果。 本论文是以国家“8 6 3 ”草方格铺设机器人课题为背景，在详细闸述其：i ：作原理和 工艺流程下，选择i ) l c 作为控制核心，并根掘工作要求给出了软硬件的设计与实现方 案，及对车用测距雷达进行改造实现横向自动调节功能的方法，它剥p l c 在机器人上的 应用具有一定的指导意义和参考价值。 本文首先总体介绍了我国二l 二地沙漠化的现：队和防治方法，论述了该课题研究的重要 性和紧迫性，并通过剥。比分析啦片机控制系统、继i ! 器控制系统、计贸：机控制系统符i ，i 的特点及应用范围，最后确定了基于可编朽! 控制器( i ) l c ) 为核心的控制方案。 其次，通过刘草方格 ；i l j 设机器人生产工艺流程的研究，根据控制的i g 术要求，刘所 选元器件进行理论计算，确定基本参数，从而选择山控制元件；并针划实地情洲。，砹汁 出了符合特定要求的监控系统，实现列二i 二作过程的监控。 蒋次，绘制控制程序流程图，剥选择的控制模块进行硬件组态，利用si c f l e n s 公司 的编程软件s t e p 7 完成s t l 语句的程序设计，实现数据采集，保证输出设备安全、高效 地运行：并设计完成了以a t m e l 公司的a t 8 9 c 5l 单片机为核心，山传感检测电路、信 号处理电路、输出控制电路等构成的横向随动控制系统。它能够和i ，l c 兼容实现列横 向机构的闭环控制。在此基础上进行软件模拟调试，对结果进行分析，确定最俄参数。 最后，进行安装、测试、现场试验，撰写说l ”f 5 c l 经过我们的努力，草方格控制系统设计已经完成。并且经过了内蒙古浑善达兜沙漠 的测试，取得了良好的控制效果。使该机无论从功能上还是效率上都达到或超过了预= l l j 的水平，较好地实现了预j | _ j 捉出的控制要求。 关键词革方格；p l c ；单片机；机器人：控制系统 a b s t r a c t a st h ec e n c r a lu n i to ft h ec o l l t r o ls y s t c m ，p l ch a st h cp o w e r f u l i u 1 1 c t i o l la 1 1 ds l a b i c d e r f o r n l a n c e i ti sw i d e l yu s e di nm e c l l a n o t r o n i c sf o rp r o d u c tc o n t r o la n d 1 1 a sap e r f i ：e c tc o l l t r o l e f k c t i ht h i st h e s i s ，o nb a s i so ft h c s t r a wc h e c k c r b o a r db a r r i c r sp a v i n gr o b o tp r o j c c to f 。t h c n a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p l n e l l tp r o g r a m ( 8 6 3p r o g r a m ) ，w ee x p a t l a t e d t 1 1 e o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f p l c ，c h o s ei ta st h ec o n t r o ic e n t e r ，p r o d u c e da d i a nf o rt 1 1 ed e s i g na 1 1 da c h i e v e j n e n to f1 1 1 e s o l l l _ w a r ea 1 1 d1 1 a r d w a r ea 1 1 dg a v ea1 1 1 e t l l o d 衙 m o d i f y i n gt h eu l t r a s o n i cr a n g i n gr a d a r t og e tt h en i n c t i o no fs i d e w a yn o a t i n g i tc a n b e l 1 s e da s t h e2 u i d a n c ea n dr e f e r e n c ei nt h ea p p l i c a t i o l lo f p l ct or o b o t f i r s t t h ef a c to fd e s e r t i 氍c a t i o na 1 1 dt 1 1 ep r e v e n t i o nm e t l l o dw e r ei 1 1 t r o d u c e dg e l l e r a i i ya 1 1 d t h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t y o ft h i sr e s e a r c l lw a sa l s o d i s c u s s e d b yc o m p a r i l l g t 1 1 e c h a r a c t e l i s t i c sa n da p p l i c a t i o l ln e l do fs c mc o n t r o ls y s t e n l ，r e l a yc o l l l r o ls y s t e ma 1 1 ( 1c o m p u l c 。 c o l l t r o ls y s t e l n ，w es e l e c t e dt h ec o n t r 0 1s c h e m eb a s e do np i _ ，c s e c o n d l y b ys t u d y i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f t h es t r a wc h e c k e r b o a r db a 疵si a v l l l g r o b o t ，w ec o n d u c t e at 1 1 et 1 1 e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nt ot h ec h o s e nc o m p o n e n t a 1 1 ds e i e c t c dt 1 1 cb a s l c d a r a l l l e t e r sa c c or d i n gt o t h eb a s i cc o l l t r o lr e q u i r e m e n t w ea l s od e s i g n e dt 1 1 em 0 1 1 1 t o r l n g c o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n tt o r e a l i z et h em o n i t o r i l l gc o n t r o i0 1 1t 1 1 e w o r k i l l gp r o c e s s t h i r d l y ，t h en o wd i a g r a mo fm o n i t o r i l l gp r o g r a l l lw a sp l o t t e d ，t h ec 1 1 0 s e l l c o n t i o l1 1 1 0 d u l e w a sc o n f i g u r e di nh a r d w a r e ，t h es t ll a n g u a g ep r o g r a l nw a sd e s i g n e db yu s i n gt h es o t t w a 。e s t e d 7f r o ms i e m e n sc o m p a n yt oc a r r yo u tt 1 1 ed a l aa c q u i s i t i 0 1 1a 1 1 d1 1 1 a k et h eo u t p u 【e q l l l p l l l c 。1 t w o r ks a f e l ya n de m c i e n t l y t 1 1 e t r a n s v e r s es l a v ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g l l e d w l t l lt 1 1 e a t 8 9 c 51s c mf 1 o ma t m e lc o m p a l l y i tc o l l s i s c e do fs e n s i l l gt e s tc i r c u l l ，s l g l l a ip 。o c e s 5 1 n g c i l - c u i ta 1 1 do u t p u tc o n t r 6 lc i r c u i t t 1 1 i ss y s t e mw a sc o m p a t i b l ew i t l l t 1 1 ep i ct oc a r r yo u ic l o s c d l o o dc o n t 南lo nt r a n s v e r s em a c h i n e t h es o r w a r es i m u l a t i o na n dd e b u g g i n gw a sc 0 1 1 d u c t e d ， t h er e s u l tw a sa n a l y z e da n dt h eb e s tp a r a m e t e r sw e r ep r o v i d e d f i n a l l y ，t 1 1 ee q u i p i n e n tw a sn x e d ，a d j u s t e da 1 1 dl e s t e d t 1 1 en e l de x p e r i m e n tw a s c a l 1 。1 e do u t a 1 1 dt h ei 1 1 s c r u c t i o n1 1 1 a 1 1 l i a lw a sw “t t e l l 一b vi h ee f t b l lo fo l i rs t a f l jt | 1 es i r a wc h c c k e r b o a r db a r r i e rc o l l t r o is y s i e 1w a sa c c o n l p i l s l l e d l tw a sl c s l e d - 1 1i il l l l s 1 d a k ed c s e i co f 、m o n g ( ) l i a l 1 o v 1 1 c ca 1 1 l l ci ) c f l c c lt c s t 瞄l 5 a c q u i r c d i t1 1 a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dl e v e l ) re v e nb e t t e rt h a nt h a ci 1 1b o t ht h cf u n c t i o n ：1 n ( 1 1 1 1 c e m c i e l l c yo ft 1 1 em a c h i l l e k c v w o r d ss l r a wc 1 1 e c k e i b o a 咄1 1 【。c ；s c m ；l 己o b o 【；c u n ls y s t c m ij ：f 论 1 绪论 1 1 课题背景 荒漠化是全球极为关注的重大环境问题，已经成为人类l o 火生念环境之阿，i ! ： 界上荒漠化或正在经历荒漠化过程的地区遍及6 大洲11 0 多个国家。全球有l o 亿之众 受到荒漠化的直接威胁，其中有1 3 5 亿人在短期内有失去土地的危险。i 3 陆地经历才i 沙尘暴掠、毁人亡的苦难，其中非洲高居榜首，最大的沙漠撒i | f ： 拉沙漠的流沙每 年向南扩展近1 5 0 万平方公里，向：i 匕吞没1 0 万平方公里。曾一度免疫“地1 冰溃疡”l ，| 勺 欧洲i j 洳也已严重感染，其6 6 的早地刁l 司挡! 皮i ：f j 受到荒淡化的危：! ；，1 1 i 当。j ：俄岁斯、 加拿大、中国、美国困二l 面积的总和，且据权威资料显示：鼬j 订全j 求沙化二l 二壤每j f 仍以 5 7 万平方公甩的速度扩展。有1 0 亿以上的人、4 0 以上的陆地表而受到荒漠化的影 响，主要集中在二l _ 二旱、半二1 - 二旱地区。山此造成的直接经济损失每年约4 3 0 亿美元。弧 洲的荒漠化程度也十分惊人，荒漠化二l 二地已占总面积的3 4 。中亚地区山于前j ：| ) ：联时= | l j j 的过波开发，生态恶化已影响到4 0 0 力平方公里的j 大地区。i 逝着荒漠化的力述蔓延， 人类可耕种的土地日益减少，t 矿重地动摇了世界的粮食安全，也是近年来世界饥民山 4 6 亿增至5 5 亿的主要原因之一，联合国环境规划署发出警告：“照此下去，地球将被 卷入一场浩劫性的社会和经济灾难之叫= i 。”2 0 0 6 年世界环境日聚焦“沙漠和荒漠化”，关 注人为因索导致的土地退化，为全人类敝响“沙漠和荒漠化”警钟。 1 1 1 我国土地沙漠化现状 我国沙化土地主要分斫理e 新积、甘肃、青海、宁夏、陕西、1 人j 蒙i i 、硼、河：i 匕、 辽宁、吉林和黑龙江等11 个省区。全国有将近三分之一的因二| 二而积正受风沙危割| i 。 沙漠化是当今世界人类共同面临的个重大环境及社会问题，是地球的癌症。它有 两种类型，一种类型是如撒哈拉大沙漠那样，其周田的不毛之地以f 每年1 0 2 0 公小的 速度扩大而造成沙漠化，另一种类型是森林地带和耕地的植被遭到毁林、酸雨等破坏而 变成新沙漠。旧沙漠的恶化加上新沙漠的涌现，二者对我囡的危害更是十分惊人，其危 害表现为： ( 1 ) 毁坏耕地，破坏农业生产：在我国：i 匕方万里风沙线上，每年8 级以上的火风二i 就有3 0 1 0 0 天，还时常出现沙暴。历史上曾是水美草鲜、羊肥马j ：f = 、自然环境良好的 地方，数百万的中国农村人口同覆盖他们土地的流沙一样往东迁徙。扩张的沙漠把利民 赶离在甘肃、内蒙古和宁夏的家。部分地方人类甚至无法生存。嘣例：发银行的订关沙 漠化的评估报告表明，大约有四千利民面临被流沙埋没的危险。 ( 2 ) 草场退化，畜牧质量、数量下降。草场而积因沙化和丌垦破坏减少6 0 0 多万公 顷，产革量下降了3 0 5 0 。仅内蒙古伊克n 7 l 盟从上世纪6 0 年代到8 0 年代f l j2 0 多年 东：i l 牛小! i k 人学顺i j ：学 t 沦义 中，因滥采乱挖而导致沙化的草场而积就达2 0 0 0 多平方公垠。阿拉善百年油水革二l i 美，曾是大清皇家的牧场，阿拉善2 7 力平方公里二 ，：地只有1 7 九人，然而山于生态环境 的破坏，自然承载力逐年下降，从1 9 6 0 1 9 9 0 年的3 0 年m ，全盟牧裔总头数l l ：i2 0 0 儿 头降至1 3 0 万头，大面积草场无草可供采食，野兔、野驴、野骆驼等珍贵野生动物纷纷 消失绝迹，以致l 平方公平土地已不能养活1 个人，进一步激化区l j 、j 人i 资源、州：境 与社会经济发展洲的矛盾。 ( 3 ) 阻碍交通。我固通过沙漠化地区的铁路长度3 2 5 4 公m ，发小沙害地段1 3 6 7 公 里，占4 2 ，其中严重地段1 0 8 2 5 公单。受沙尘暴危害的公路总k 为3 j 公艰，交通 线路因沙害而阻塞、中断、停运、改点的封c i i 则寸有发生。在沙尘暴地区盼诌：多流域，凶 林苹覆盖率降低，风蚀危害加剧，严重影i 们了水利没施的证常运行刷使j 以及河道f ”i 污能力，由于沙尘暴地区多属老少边贫地区，受沙尘暴和贫困长期扰，以及与发达地 区收入差距过大，都有可能转化为敏感的政治问题，影响民族团结、社会发展和巩固田 防的大局，制约国民经济的发展和西部大开发战略的实施。 ( d ) 影响二亡程建设。在沙尘暴地区的明：多流域，囚林革覆盖率降低，风蚀危害加 剧，严重影响了水利1 | 5 l 施的正常运行和使用以及河道的排污能力，陕两：i 匕部臼i9 8lj r 以来，因泥沙淤积废除的小型水库2 9 座，淤积库容总计6 2 0 0 万立方米。沙尘暴地区 i j ； 存着全圉最大的石汕、天然气、露天煤矿和j i 碱湖：旷，每年因沙尘椠和沙漠化危害造成 停工和机器进沙磨损而损失巨大。 ( 5 ) 破坏! 1 i 态环境。根：娲j l 测，我吲城市空气污染物j 二要足微小颗粒! 泐，这。j 沙杉l 化密切相关。沙尘污染着广大地区人民的生产生活环境，影响人民继康。人气j 卜埃增 加，空气污染加重，环境质量下降，：| 匕方城i l j 沙尘：躲、南方泥雨肆膳。每= f i 三输入! ，? 河的 1 6 亿吨泥沙中有1 2 亿吨来自沙化地区，严重的水：l 流失使黄河丌封段成为“。悬河”。 1 1 2 沙漠化发展趋势 随着经济水平的提高，人们需要更多的能源来满足不断膨胀的欲望，滥垦、滥牧、 滥伐、滥采、滥用水资源，沙漠化的形势变得越来越严峻，主要表现在三方而： ( 1 ) 面积大，分确j j _ 。联合国最新统计，l | 前全球有近二分之l ，i 勺l 诣地表i 眦1 1 0 个 国家和1 0 亿以上的人口受到沙漠化影响。中国沙漠化二t 地1 7 4 3 万j r 方公晕，i ：与固二哪订 积1 8 2 ，比现有耕地而积还大；雨加上沙漠而积，荒漠化二盼也总共2 6 7 4 万j i 方公 里，占国土总面积的2 7 9 。再考虑到庞大的人口和庞大的牲畜数量，我国毫无疑问是 世界上受沙漠化和二f 早威胁“最，厄重 的国家之一。据国家林业局第二次沙化土地监测 结果显示，截止1 9 9 9 年底，全国沙化土地涉及全国3 0 个省( 区、市) ，8 4 1 个县 ( 旗) 。四大沙漠、八大沙地是我国主要沙源地，1 幻方沿江、河、海也有零星沙地分 机。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，其他1 4 1 4 力。j l 方公里。我国两：l 匕、华：l 匕、尔：呦i ：；成一 条西起塔甩木盐地，东至松嫩平原西部，长约4 5 0 0 公平、宽约6 0 0 公里的风沙j 精，危 绪沦 害北方大部分地区。 ( 2 ) 扩展快，程度深。自1 9 5 0 年以来，沙漠扩张每十年产生加速。7 0 年代，我国：卜 地沙化扩展速度每年1 5 6 0 平方公盟，8 0 年代为2 1 0 0 平方公里，9 0 年代达2 4 6 0 平方公 里，2 l 世纪初达到3 4 3 6 平方公里，棚当于每年损失一个中等县的二l 土山而秘i 2 1 。以河：i 匕 省而言，目前全省荒漠化土地占全省面积的1 4 5 ，其中流动沙丘9 万公顷，距：i 匕京最 近的南马场沙丘与天安门广场的直线距离只有7 2 公1 瞳，且每年以4 5 米的速度往尔移 动。中因环境保护局报告指出，1 9 9 4 年至1 9 9 9 年1 1 ：l j 戈壁滩扩大了5 2 4 0 05 卜方公m ( 2 0 2 4 0 平方英里) ，相当于半个韩国的面积。最新的一份美国使馆报告“沙漠的兼并与 收购”( ”d e s e r tm c r g e r sa n da c q u i s i t i o n s ”) 中指出，卫星图缘显示在中国：i 匕方i - h 心地；黔 的两个沙漠i f 合二为，成为一个从i 勺蒙i ! i 到肃的更火i ，i ，j 沙漠。花新珊i 撕部，业人i ，i c j 塔克拉马二f 沙漠和库木二t 格沙漠也开始合并。我国特大沙尘暴频发，6 0 年代8 次，7 0 年代1 3 次，8 0 年代1 4 次，9 0 年代2 3 次。仅2 0 0 4 年春天北方就接连出现八次大范i 1 1 的沙尘暴天气，次数之多、强度之大、范嘲之j ，实属历史罕见。 ( 3 ) 危害重，损失大。据有关专家测算，全国i 剁沙化沙害每年造成经济损失达5 4 0 亿元。依据我国最新公稚的荒漠化和水二1 二流失监测数掘进行估算，中国荒漠化危害和风沙 灾害造成的直接经济损失每年约6 4 2 亿元，平均每天损失1 7 6 亿元；据估算，每年因沙 尘暴造成的经济损失超过1 3 亿元；荒漠化及其衍生物危害造成的问接经济损失每年约 合2 8 8 9 亿元1 3 4 j 。1 9 9 3 年5 月西：l 匕地区特大沙尘暴，新、甘、宁、内四省区7 2 个县 ( 旗) 受灾，1 1 6 人死亡，1 2 万头牲畜损失，5 0 0 万亩农作物受害，直接经济损失超过 4 亿元。沙区现有国家级贫困县1 0 1 个，占全国贫困县5 9 2 个的1 7 。 中困的沙漠化问题不仅是本困的问题，而且= l i 刊【止界各囡、特别足4 边邻旧f ，jj 吖：境 问题连成一体，成为重大的“国际问题”。一方而，刮到中圈来的尘沙有一部分来自蒙 古和中亚：另一方面，越过中国东部沿海地区的尘沙又刮到了东弧邻国甚至太j l 洋彼 岸。2 0 0 0 年4 月1 2f i ，韩国被来卧：驯i ，j 巨大沙尘暴“淹没”，汉城的居民，j l 乎无法呼 吸。学校关闭，航班取消，诊所里挤满了呼吸困难的人们，零售下滞。韩田人丌始对冬 末春初的沙尘暴心怀恐惧，他们称之为“笫：t i 季”。i - l 本也受到中网形成的沙尘暴的危 害，虽然与韩国不同，日本并未直接受害，但是人们还是抱怨在挡风玻璃和窗，- 上的狄 尘和棕色雨迹。但是人类无法刈。艺“拒发困j ：j 、l 照”，只能是减少它| ，i ，j 肆虐程度，循序 渐进的扼杀它。 1 1 3 防治沙漠化方法及特点 不尽快帮助增强地球的修复能力，特别是划沙漠化的治理，我们j 再住的地球将1 f 订临 “生态破产”。然而沙漠化造成的贫困和社会动荡，不再仅仅是一个生态问题，已飙升 为经济、社会问题。为解决沙漠化的问题，长期以来各囡学者、专家研究各种办泫：与沙 漠化作斗争，目胁主要有以下j + 忻l 一方法： ( 1 ) 生物治沙技术，又称植物治沙，是通过封f ：j 、营造植物等手段，达到防治沙 东：i l 林业人学坝l j 学位沦义 漠，稳定绿洲，提高沙区环境质量利生产滞力的一种技术措施；采j | 川i 物治沙技术，利 用植物固沙不仅起到防沙治沙的妙用，而且在改善生态环境，提高资源产 n 效益l 二有很 大的功效。 生物治沙技术见效周期长、投资大，且对于年j f 均风速大、频j = i 较高的流动沙地、 沙丘地区很少采用生物治沙技术。l ：! i j 使是在年降m 量较大，生念自我恢复能力较姒的地 区，山于流动沙地、沙丘的风沙对植被幼苗伤害极火，也很滩采j 1 j 。因此实施生物治沙 时必须与其他治沙技术结合使用才能有好的效果。 ( 2 ) 工程治沙技术，是指采用各种工程手段，防治风沙危害的技术体系。山于流沙 运动及造成的危害主要是由于风力作用所致，其形成、发展与风力的大小、方向有：甑接 关系。凶而，二e 程治沙所采墩的途径足刈。风沙的阻、输、导、，从达剑减轻风沙作 用，防止风沙危害的目的。工程治沙技术方法有：铡设草方格( 如图1 1 ) ，建立立体栅 栏，设置各种材料的网膜固沙技术；水拉沙，治沙造| - 1 1 技术，该技术利用河流、湖泊、 水库的水源自流引水或机械抽水，以水力冲拉沙丘，既消除沙害，又扩大了耕地而积， 其d ，j 提是沙区附近有足够的水源。 图1 i草方格沙障( lm ) ( 3 ) 化学治沙技术，足指在风沙环境下，利厂f u j 化学材料与二f = 艺，对易丁发生沙窖i ，i 勺 沙丘或沙质地表建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层， 以达到控制和改善沙害环境，提高沙地生产力的技术措施。化学治沙技术包括：铺设高 分子化学材料、石汕沥青制品治沙固沙技术；用化学制品增肥保水造林技术。化学治沙 技术在中东地区应用较多。但由于其成本高，原料缺乏，且其中的高分子化学成分不易 降解，影i i 向直播种子的出苗率，同时还会使沙层地温增高，易发生烧f f f ，因而不适于大 面积推广使刚蟑j 。 沙漠化已经严重地影l i i f _ ! j 了我国乃至全世界的生态环境建设和社会经济发展，并造成了 l 绪论 极大的危害。世界各国人们通过别沙漠发生、发展规律的研究，结合各国、各地区不同 的实际情况，发明了大量的防沙、治沙技术。目前只有将生物治沙与二c 程治沙1 1 1 结合， 才能高效彻底的治理沙漠，“草方格铺设机器人”，就是越于这种想法i 盯研制的，它能 够更经济、快速、有效的减缓沙漠化。 1 2 课题研究内容和意义 1 2 1 课题研究内容 针对我国的国情沙化而积大，沙尘暴起源地，流动沙丘多，特别是穿越沙区的 公路、铁路两侧流沙急需固定、地点偏远、人烟稀少、水源不足、地下水位低、环境恶 劣、生态条件极其脆弱。荒漠化破坏生态环境，威胁人类生存，j 甚至使矾：多人沦为“生 态难民”，如图l 一2 所示。 + 譬i 嚣鼍 图l 一2 沙漠化严重地区 山于荒漠化不断扩展，沙尘暴越米越频繁，不仅剥生产建改造成极火破坏，而且给 人民的生命财产带来重大损失。每年造成的直接经济损失达5 4 0 亿元，而f _ l j 接经济损火 是直接经济损失的2 8 倍，甚至达到1 0 倍以上。 虽然我国已经应用一些治沙、固沙技术，但山于投资过大，管州，平和群众意以等 多方面的原因，大部分荒漠化防治工程仍停留在一些传统防治技 ：丛u 二，驯代高科技 手段并未得到有效应用。因此急需研制一种具有行走功能、操作i 匀如诳同能在恶劣条件 下正常工作、效率高、有较高自动化程度，在沙漠或流动沙区上，按要求快速高效地铀 尔：i l 林业人学坝i j ! 位论义 设草格沙障的铡设机械。 1 2 2 课题研究意义 草格沙障使用的材料耿材广泛，效果显著，成本低廉，剐作用小一n 当沙障腐烂厉 会增加土壤有机质含量，因此不仅适于大范围推广，而且有利于植物治沙技术相结合使 用。因此，开展钏设草沙障机械装备的研究足当务之急。使刚j ； ：沙障机械装符刘流动沙 丘的快速治理、改善、修复人类的生存环境有着现实的意义。它不仅能带来生态效益， 同时还可创造出巨大的经济效益、社会效益。 智能型的高效多功能 ；i i j 设沙障机械装备所带来的生态效益是显m j 易见的，只有使川 现代机械钏设方式取代人工铺设方式，方能达到固沙速度大于沙进速度，这样爿能在人 沙的较量中占得主动，快速有效地减缓沙漠化的进程。另外，大力发展沙漠治础机械 化，才能使我国的治沙经验得到大面积的应用，加速沙漠逆转，彻底， 艇除沙漠剥1 人类的 危密，从而实现人进沙退，“珂造一j i 秀美河lj 。j ”的愿塑。 我国目前沙障铺设均采用人工钏设，山于二 作地点偏远，环境恶劣，每人每天平均 最多可铡设2 0 0 平方米左右( 以铡设1 n 1 1 m 半隐蔽式沙障为例) ，且受天气条什限制， 所以铺设效率很低。如果采用我们研制的机械装备进行作业，预计每台机组一班( 8 小 时) 可修筑4 万平方米革沙障。每年总作业时m j2 0 0 天计算，扣除机： | 使川维修费、折 旧费、燃料费、驾驶员及辅助人员费用，完成同样的工作量，每年可节省赞用6 0 4 万 元，提高工作效率1 7 0 倍，降低成本7 5 5 ，每台机组按1 0 年计算使用寿命，为使用 单位节省6 0 4 万元的投资。以包兰铁路的沙坡头地段铡设草沙障为例，铡设宽度7 0 0 米 ( 一侧2 0 0 米，一侧5 0 0 米) ，4 0 公里长的革沙障，按1 0 0 人钏设，需钳设1 4 0 0 个二i 二作 日，累计人工赞2 8 0 多万。如果改用两台革沙障铀设机械完成同样n 勺二c 作量，只需6 人 2 8 0 个工作日。可节省2 2 5 1 2 万元。在我国，如包兰铁路线需要定期钏设草沙障的铁 路、公路还有很多处。因此，革沙障钔设机械装备的市场潜力巨大，丌发风险较小，且 可产生非常大的经济和社会效益。 目前，国外尚无此类机械。困内也仅有一处林机所科研机构研究“j 沙障修筑机械， 不过都存在着功能单一，效率低下。且无法调节钏设沙障的形状、尺寸及空隙度等问 题，所以无法得到推广。该类机械在国内市场基本处于空白，潜在市场广阔，因此在固 家“8 6 3 ”机器人组题办的资助下我们课题组率先研制出一种智能型的高效多功能铺设 沙障机械装备革方格钔设机器人。 1 3 论文研究意义和内容 控制系统作为整个草方格铡设机器人课题的一部分，担负着信息处理的责任，并发 出相应的指令，通过执行机构使机器人完成规定动作，实现其功能。 本论文旨在研究一种性能可靠、抗二二扰能力强、操作方便、人机界而良好的智能化 控制系统。通过查阅大量国内外文献，在分析国内外机械控制系统的基础上，结合现场 l 绪论 实际情况，围绕所提出的工作目标，制定研究内容如下： ( 1 ) 草方格铺设机器人控制系统方案的选择。在解析草方格铡设机器人功能要求和 体系结构的基础上选择合适的控制方法。 ( 2 ) 对可编程控制器的现状与发展趋势作一简单的介绍，l 刃确：尚景知以与选型依 据，分析p l c 在机器人应用的可能性与前景。 ( 3 ) 了解草方格钏设机器人的工作过程及二 艺要求，通过计算选择出控制元器件， 并设计完成监控系统。 ( 4 ) 可编程控制器部分的设计。包括软硬件的选择、i o 接口信写n 勺确定、控制程序 的设计与调试。 ( 5 ) 进行组装、试验，最后撰写说i ! j ：卜瞰 1 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了这篇论文撰写的初衷，它是“防风固沙草方格钏设机： ： 人”这个课题的 一部分，是有必要研究的； ( 2 ) 通过对现代地球环境的拙写，尤其是沙漠化状况的描述，进一步说明课题研究 的必要性、亟待性； ( 3 ) 对本篇论文要研究的内容作了简单交待。 东北林业人学颂i 1 ：学位论文 2 控制系统总体方案确定 2 1 草方格铺设机器人生产工艺概述 控制方案选择过程中，要充分考虑到用户，的需求和与本系统机械部分的配合需求， 在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个 功能齐全、可靠性高且易于操纵的智能化设备。在设计控制系统之订，首先了解各部分 组成及其生产工艺。 草方格铺设机器人主要山纵向铡设系统、横向钏设系统、控制系统、横向随动机构 等组成。 2 1 1 纵向铺设系统 该系统由横向可f i l j 缩式框架结构、输送草机构、助力机构、圆盘纵向插草机构、专 用草辊支承件等组成，如图2 1 所示。 图2 1纵向捅草系统结构幽 纵向插草机构可同时装载8 个草捆，每1 】) l i 行为l 组并排放在输送革通道上。前个 草捆在助力推草辊( 异步电机带动) 的作用下，将草捆的草打丌，按测距棘轮行走的速 度送至纵向插草轮刀下面，轮刀在液压力( 助力压紧液压缸) 和纵向牵引力的作用下将 草插入沙地。 当识草装置发现纵向草棍无草时，换草气缸二亡作带动挡草相_ f 移，革棍在重力的作 用下实现换草。 2 控制系统总体方案舰定 2 1 2 横向铺设系统 草方格铡设机器人的横向铡设系统( 如图2 2 ) 从上至下，主要山横向换草机构、 上部输草机构、中部输革机构、横向插革机构、压紧机构、剪切机构、下部输草机构_ ；f l i 横向铀设框架结构组成。横向钏设系统工作时各机构动作顺序如图2 3 所示。 图2 2 机器人的横向部分 厂 厂 广 i 压紧机构f = 刮剪切机构f = 刮横向插草机构l 图2 3 机器人的横向系统动作顺序l 刘 横向换草系统放箭着草辊，启动自动按钮，草辊一m ，j 草帘首先进入上部输草机构； 上部输草机构在步进电机驱动下使输草辊相对滚动将草帘送入中部输草机构；中部输革 机构是一个近乎于s 形导槽，顺着导槽进入下部输草机构中；由步进电机带动下部输草 机构中的皮；f | ：将草帘带动行走1n 1 的距离。此时，草辊从上部换峁：机构传输到下部传输 机构。插入沙里的也是这皮带上的这l n l 的草帘。当测距棘轮发出一米信号，压紧电磁 铁将平铺于皮带上的草帘的一头压紧，剪切机构在气压缸的作用下随即开始动作，将编 织草帘的两根细绳剪断，最后插草汽缸带动插刀将皮带上准备好的1 m 的草帘插入沙 里。至此，横向系统的一个动作循环完成。按照要求，这一系列动作历时2 s ，而且，压 紧机构的“压”、剪切机构的“剪”和横向插草机构的“插”这三个动作l 乎同时进 行。 2 1 ：3 横向随动机构 草方格 ；f | j 设机器人横向随动机构的作用是根据控制信号实时调整横向插草机构距地 面的高度，保证其距地面的高度在一定的范围内，不随高低不平的地势变化，并且这个 2 控制系统总休方案确定 检查控制对缘没有发出“故障”信号( 1 1 1 符控制闷检查合格) 。 ( 2 ) 在全l 刍动下，应能使控制列象按照预先规定的二 艺流程运行。 ( 3 ) 在草方格机器人工作的过程中，应使监视系统处于工作状态，实时j i ：【控各部位 二亡作f 卉i ! ! 。 ( 4 ) 应能保证操作人员随时都能使控制对象紧急停车。 2 2 4 对信号显示和故障报警的设计要求 一 ( 1 ) 在任何工作方式下，信号显示系统都能显示草方格铺设机器人控制剥象及其各 单机运行的全过程； ( 2 ) 当任何一台i 【l 动机的过载保护动f 11 时，信号显示系统应能 占尔发生过载。i i 史障的 电动机，故障报警系统应能发出音响故障信号： ( 3 ) 当测距仪每行走一米时候，信号灯显示，并发出蜂鸣声。 2 2 5 对照明的设计要求 为了维修设备和夜问工作的需要，应给控制柜及纵向和横向的机架上装有安全照明 灯。 2 3 可编程控制技术的现状 可编程控制器( p r o g r a m l l l a b l el o g i c a lc o l l t r o l l e r ) 简称p c 或p l c ，是6 0 年代术发明 的工业控制器件，是美国数字公司( d e c ) 为美国通用公司( g m ) 研制了i ：发并成功应用于汽 车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，p l c 软硬件水平与 规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进 制造技术的相应发展。现代p l c 已经成为真币的工业控制设备。 最初，p l c 主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门予 ( s i e m e n s ) 公司、b b c 公司就开始研制p l c ，当时主要是用于轧铡机、升降设备等大 型设备上。7 0 年代初，日本的o m r o n 也推出了他们的p l c 。三菱、f 1 立、富二i 二、东 芝、日电等公司也先后加入了p l c 制造者的行列。7 0 年代中期，美冈和西德首先现 了微电脑化的小型p l c 。由于p l c 是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量 生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干 扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以 在机械制造业深受欢迎。小型p l c 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、 纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制 单元的做法构成了强有力的挑- 饯，更有全而取代传统继电器控制的趋势。掘囡外资料介 绍：1 9 8 2 年美国p l c 用户中，有4 8 来自自动程序操作部门( 如汽1 i 、拖拉机工业、机 械工业等) 、1 3 来自石油化工业、9 来自食品饮料业、7 来自冶金二叫k 、其余部分来 自造纸、采矿、污水处理等部门。 近年来，随着我国对外丌放，日、美、西德等国生产的j ，l c 已通过多种途径进入 东：比林业人学f ! j ：l ：学位涂爻 了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢二 程应用了数百f p l c ，首钢、武 钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的p l c 【6 j 。 2 4 可编程控制技术的发展趋势 、 随着计算机利学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控：川技术得到了飞速 的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将p l c 理解为开关量控制的时代已经过去，p l c 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术利信息处理技术融为 一体，其功能也日趋完善。今后，p l c 将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型 专用化和低价格方向发展：另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的 发展趋势如下 1 。 ( 1 ) 可编程控制技术的标准化。在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既 互相竟争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的 还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的：川一质量，另一方 面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产- 冒一的厂家都有相应的 技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的p 【。c 产品列工业应刚环境、抗干扰性等 条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目i j ：只能是统一区域性的产品，而不能实现 全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了圈际标准。 ( 2 ) c p u 处理速度进一步加快。目前p i 。c 的( ：p u 与微型计算机的c p u 相比，还处 在比较落后的地步，最高的也仅仅处在8 0 4 8 6 一级。将来会全部使j 1 j6 4 位r j s c ：卷片， 实现多c p u 并行处理或分时处理和分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程 序用门阵列电路固化。这样p l c 执行指令的速度将达到纳秒级。 ( 3 ) 可编程控制技术的智能化。提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在 某种意义上也提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 系统的开放性和兼容性。开放性和兼容性是不可分割的- f i j 且是榴辅相成的概 念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤 其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加 上自动化项目越来越大，致使常常在个工程项目中出现不同厂家的产：品做主从站的玑 象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方 面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之 外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品i ，i 勺水平。 ( 5 ) 通用性和专业化的结合。可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有 其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢? 硬件系统的模块化 便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很 容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采 样模块、网络接口模块等。 ( 6 ) 可靠性进一步提高。随着p l c 进入过程控制的领域，对p l c 可靠性的要求进一 2 控制系统总体方榘确定 步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有c p um 元冗余、通信师元 冗余、电源单元冗余、i o 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲， 系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系 统各单元的质量要得到保证。m t b f ( 平均无故障j 问) 是衡量产品质量的重要指标。纵 观各著名厂商，其p l c 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 ( 7 ) 控制系统分散化。根据分散控制、集中管理的原则，p l c 控制系统的i o 模块将 直接安装在控制现场，通过通信i 乜缆或光纤与主c p u 进行数据通俯，这样使控制更了r 效，系统更可靠。 2 5p l c 与其它控制系统的比较 在现代自动化项目中，我们会遇到大量的) 。f ：关量、脉冲量及模拟量等控制装置。：f f i i 电机的启动与停止，电磁阀的开闭，机构的位置、速度、加速度的测定，以及温度、压 力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的自动控制主要是山继i u 器或分离的i 【! l 子线 路来实现的，这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点，只适用于简单的 逻辑控制，仅适用某种控制项i | ，缺乏通肘肚，一旦要实现改动或嘏优化，只能通过硬 件的重新组合米实现。目前，自动化控制比较有代表性的控制方式主要有以下l 个类 别：继电器控制系统，微型计算机系统，单片机控制系统。 2 5 1p l c 与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时问继电器的延迟动 作来组成控制逻辑，其缺点是系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做些更 改和扩展更是难以实行。 而p l c 是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变 p l c 内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于p l c 来讲，只要用 p l c 配备的编程器在现场就可以完成更改。至于p l c 对外部的联系，只有i o 点，只要 输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。 。继电器控制逻辑是依靠触点机械动作来实现的，工作频率很低。一次动