关 键 词：

基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

资源描述：

基于PLC的机器人本体设计(论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报告),基于,PLC,机器人,本体,设计,论文,DWG,图纸,外文,翻译,文献,综述,开题,报告

内容简介：

第2 3 卷第6 期 2 001 年 6月 无损检测 NDT V0 l _ 2 3 No 6 J u n e 2 0 01 可编程逻辑控制器在管道机器人 控制系统 中的应用 姜生元 邓宗全 李斌。 李瑰贤 ( 哈 尔滨工业太学 机械 工程 系， 哈 尔滨1 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 根据管 内机器人工作环境的特殊要求 ， 提 出了把可缟程逻辑控制器( P L C ) 用于管内机 器人控制系统中的方法， 利用P L C的通讯功能、 脉宽调制方式( P WM) 的输出功能厦高速计敷功能 实现管内外通讯和行走电机的闭环控制。实践证明， 系统性能稳定可靠并具有良 好的应用前景。 关键词 ： 管道 ； 机器人； 可缟程序控制器； 控制 系统 中蛋分 类号 ： T G1 1 5 2 8 ； T P 2 4 2 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 - 6 6 5 6 I 2 0 0 1 ) 0 6 - 0 2 3 4 - 0 3 THE APPLI CATI ON OF PLC I o I N- PI PE I t 1 D】 ， 0r r 0 1 t oL S蛐M J I A N G s l H唱 唧 ，瑚 G Z 肌 q 硝n ， L I B i n I L l Gu i - x i n c D e p t o f Me c h a n i c a l E n g l n e e n n g ，Ha e r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Ha e r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) A h ：PL C w, t s a p p l i e d t o i r r p i o e r o b o t c o n t r o l s y s t e m f i t s s p e c i f i c wo r k i n g c o n d i h o n Th e c o mmu l a i c a t i o n b e t we e n i n n e r a n d o u t e r c o n t r o e r s a n d t h e c l o s e - l o o p c o n t m o f d r i v i n g mo ror we r e r e a l i z e d b y PLC f u n c t i o n s o f t e l e - c o mmu n i c a t i o n P WM o u t p u t a n d h i g 卜 s p e e d c o u n t L l I t w a s p r o v e d t h a t t h e me t h o d w a s g h i n r e l i a b i l l t y a n d v a l u a b l e t o s p r e a d t o p i p e l i n e e n g i n e e r ing Kq1 w_ 1 匦：P i p e ；Ro b o t ；PL C；C on t r o l s y s t e m 在现代工业控制中， 可选用的控制器种类很多 ， 性能指标差异很太， 从定性角度来看， 各类型控制器 的性能指标如表 1 所示， 设计人员应根据具体情况 选择适宜的控制方案。由于管道机器人是在野外管 线内部作业， 环境恶劣， 不允许出现在管内失控的重 大事故 。因此除了对机器人 的能源动力系统等强 电部分提出了严格要求外 ， 还对机器人 的控制单元 提出了极高的运行可靠性要求 以保证控制单元不 受环境、 强电及射线等干扰 ， 在有效的控制策略下起 到持续监控作用； 另外管道机器人在作业过程中主 要处理一些开关量， 对控制器的处理时间要求不高， 所以我们采用了可编程逻辑控制器( P L C ) 作为管道 机器人的控制器。本文以我们研制的内置动力源管 内X射线探伤机器人的控制系统为例， 详细介绍了 P L C在管道机器人控制系统中的使用方法， 并论述 了采用 P I C实现电机速度控制和位置控制的具体 实现过程 。 收稿 日期 ： 2 0 D 9 7 2 8 2 3 4 表 I 常用工韭控耐器性 能 比较 1 控制 系统构成 本管道机器人的控制系统由管内车载控制系统 和管外监控系统两部分组成( 图 1 ) 。控制单元采用 日本松下公司的两台 F P 0系列 P L C 。管内行走和 执行机构由管内车载 P L C直接控制， 而管外操作者 在操作面板上通过管外 P L C与管内车载 P L C闻的 通讯实现对管道机器人的作业监控。由于所采用的 F P 0 系列 P I 本身只具有 R S 2 3 2 接口， 通讯距离 有限， 为适应管道机器人长距离作业的需求， 我们在 控制系统中采用 了 c - NE T适 配器进行 了 RS - 2 3 2 R S 4 8 5 通讯标准的转换， R S 4 8 5 是一种差动平衡式 维普资讯 姜生元等：可编程逻辑控制器在管道机器人控制系统中的应用 T T 丌 l 机 构 I ： l 行 走 ： 1 电 机 PWM 驱 动 电 路 控制面板 图 1 管道机器人控制系统框图 信号传输协议， 它可以实现 1 2 0 0 m左右距离的可 靠通讯， 且只需两根信号电缆， 减小 了管道机器人的 拖线阻力， 对机器人长距离拖缆作业有重要意义。 2 管内外监控作业方式的实现 为保证管道机器人的作业安全性和可靠性， 除 管内车载控制系统能对机器人的管 内作业进程进行 控制外， 还要求操作者根据机器人反馈回来的管内 作业信息对机器人作业进行人为干预， 这就是监控 作业方式 监控作业方式的实现离不开管内外的通 讯， 为此我们采用了主从通讯结构实现监控作业， 管 外 P L C为主机， 管内 P L C为从机。通讯协议为松 下电工的 M删 T O c 0 I， c O M 专用通讯协议 。 采用此协议可以完全忽略 串行通讯 的低层实现 ， 给 开发人员带来了极 大的方便 通讯开始先由主机发出呼叫， 它包括一些特殊 标志码、 P L C站号和呼叫字符等， 其发送帧格式如 图 2所示 。 H L BCC CR I v l l I l f 起蛄码 特征妈 发进支车 结柬碉 _ u 直 “ 士 图 2 MEWT - A ) L - C A 3 M 发送帧格式 主 P L C用 F1 4 4 指令实现串行通讯 ， F 1 4 4梯形 图的指令格式如下 F 1 4 4 T R N S D 1 1 0 0 ， K 4 此指令通过主 P I 的 R S 2 3 2 端 口将存储在 D T1 0 1 和 D q 1 0 2中的 四个字 节的数据输送 出去。 正是通过主 P I 向从 P L C发送 含有适 当命令字的 文本， 实现了对机器人行走电机、 执行机构及动力供 给系统等的监控。如对于 x射线探伤机器人， 为获 得射线发射器的状态信息， 可将其由从 P L C输人接 点读人， 并存放在内部寄存器 WR 0和 WR 1中， 主 P L C可以随时发进含有读 WR o和 WR 1 的指令获 取状态信息； 为控制电机的转速、 位置及 x射线发 射器等， 可将控制字写入从机的 WR 2 和WR 3 内部 寄存器中， 从机根据控制字的状态控制机器人动作。 3 安全 自救控制策略的实现 3 1 断线的故障处理 为避免断线使通讯中断造成管道机器人因得不 到新的动作指令而失控的事故发生， 不但要对线缆 强度和机器人结构等作适当处理， 在控制上亦应采 取相应措施 。因此管 内的从 P L C必须具有一定判 断能力， 以判断通讯中断事件的发生， 并及时采取 自 救措施， 避免事故发生。本文采用的判断通讯 中断 事件发生的方法是由从 P L C 中的一个定时器进行 长定时的定时操 作 ， 定时结束， 即可判断为通讯中断 事件发生。而主 P L C端则 由一个短定 时的定 时器 定时， 以固定 的时间间隔触发 ( 此间 隔要 比从 P 1 C 的长定时时间短 得多) ， 向从 P L C发出写定 时器 经 过区的指令， 使其长定时的定时器复位。这样， 在通 讯正常进行时 ， 从 P L C的长定时定 时器因被周期性 地复位而不能触发通讯中断处理程序； 而一旦通讯 中断时 ， 此定时器定 时结束将触发通讯中断处理程 序 ， 管道机器人便开始按预定程序执行安全 自救 3 2 能源供给检测与警示 为适应长距离作业 ( 1 0 0 0 m) 的需要 ， 机器人 本体一般采用车载蓄电池组作为动力源 在这种情 况下， 监控蓄电池组的电容量状态对于机器人的可 靠运行是 至关重要的 。为此我们设计了电池容量监 视电视。从 P L C根据监视电路的输出作出判断， 当 机器人确认系统电量不足后 ， 通过管外控制箱上的 报警装置向操作人员发出警示， 或者壹接采取措施 进行紧急处理。这样可保障机器人的可靠运行 ， 防 止因动力不足而造成管内载体无法出管的重大事故 发生 。 4 电机控制的 P L C实现 P L C对电机控制的实现是以 P L C的高速计数 功能和脉宽调制方式( P WM) 的输出功能为基础的。 为实现行走 电机速度控制 和位置控制 ， 在结构上必 2 3 5 电量检测 维普资讯 姜生元等 ： 可编程逻辑控 制器在管道机器人控制系统 中的应用 须构成一个闭环控制 系统， 为此我们采用了光 电增 量式编码器作为反馈信 号传感器 。通过 P I C的高 速计数功能对反 馈信号进行数据 采集 ， 由 P I c的 P WM 输出控制电机的转速 与 P WM 输出和高速 计数有关的 I ( ) 分配框图如图 3所示 。 图 3 E wM 输 出及 高速计数 l O分配图 4 1 F P O系列 P L C的高速计数和 P WM 输出功能 F P 0 系列 P L C的高速计数功能、 脉冲输出功能 以及 P WM 输出功能是通过 P I J c内部 的高速计数 器实现的 在 F P O系列 P L C内部有四个通道的高 速计数器 ， 可l 提供高达 1 0 k Hz 的计 数速率， 与高 速计数器有关的 P L C指令共有七条， 分别是 F 0 ， F 1 ， F 1 6 6 F 1 7 0 ， 部分指令的含义如下 ： ：高速计数器控制指令， 可改变高速计数器 的运行方式。 F l ： 读出或修改高速计数器的经过值指令。 F I 7 0 ： 指定通道 P WM 输 出指令 。用此 P WM 输出功能 可输 出球冲宽度 占空 比为 0 O 1 9 9 9 可调的P WM波形。其指令格式为 F 1 7 0 P WM， S ， ” 其中 表示从输出接点 y 输出， S指明存放 P WM 输出控制字的数据 区， 此控制字说明了 P WM 输出的频率和占空 比， 运行时只要改变 P WM 输出 控制字就可改变输出的频率及 占空 比。 用以上 几条指令与 P I c的基本定时器指令、 运 算指令和逻辑控制指令等配合便可实现对机器人行 走电机的控制。 4 2 稳速控制的实现 由于实际上传感器检测到的是相对位置信号， 而为保证运行速度和行走平稳， 我们关心 的是速度 与设置值的一致性以及行走速度的平稳性。虽然宴 际上并未直接检测到速度， 但是速度的稳定是每一 采样周期行走距离一致的前提。根据速度是位移的 微分的原理， 我们利用 P I C的运算能力， 将其和位 置传感器 一起构成了一个 “ 软” 速度传感 器。这样 ， 在一个采样周期 内， P L C速度控制程序需 处理 以下 工作以调节电机稳速运行， 即 用定时器设定采样 时间。 调用高速计数指令采样电机位置信号。 凋用除法程序求电机速度。 设置值和宴测值 -2 3 6 馓减法求偏差值。 调用比例积分徽分( P I D ) 子程 序对偏差进行控制 调节 通过写 P WM 指令控 制字调节 P WM 输出占空 比调节转速 。 4 3 电机位置控 方式的实现 当管内移动载体稳速运行至靠近作业处时， 管 内P I C将发出指令使行走电机减速运行， 并向管外 发出信号提示操作工人注意， 操作工人可通过电荷 耦台器件( C C D ) 返回的图象作出初步定位判断， 并 控制行走 电机停止运行 。此时的定位一般并不能正 好满足要求( 即焊缝在监视器上基准允许范围内) ， 这时工人可根据监视器上的位置刻度 ， 用位置控制 方式使移动载体迅速定位。 位置控制方式与速度控制方式的结构相 同。将 码盘反馈回来的实际位置值与指定位置值比较， 以 时间速度图裘 明的逻辑控制方 击控制电机的转速和 启停， 达到位置定位要求。一种简单的理论时间速 度图见图 4 ， 其原理是移动载体先以设定的加速度 匀加速运动， 达到设定高速 讪 后匀速运动， 当位置 反馈计数达到 S S 时， 再以设定的加速度匀减速 至低速 后 ， 以速度 让 匀速前进 ， 当位置反馈计数 达到S S 2 时， 制动指令输出， 移动载体定位完成。 塑厂 图 4 简单定位控制过程 5 结论 用性能稳定、 可靠性高的P I c作为管道机器人 控制核心使机器人作业的可靠性得到了保障。本文 在通用 P L C的基础上， 应用 P I c的通讯功能使管 内外通讯变得容易和可靠， 而利用 P I c的 P WM 输 出功能及逻辑处理能力使机器人行走电机的控制更 简单易行。现场工程实验证明 ， 所研制的内置 动力 源管内 x射线探伤机器人最大作业距离达 1 0 0 0 r n ， 驱动电机的速度稳定且连续可调( 0 O 2 m s ) ， 监 ( 下转第 2 3 9页) 维普资讯 镣章遂等： 基于漏磁检测的螺拴孔裂纹定量检测方法 H ( ， H )( “ ， ) ( 3 ) 式中 与裂纹信号变化梯度相关的阈值 ， z 一 轴上正负峰之间任意坐标点 k 值可由理论模型计算或由大量实验得出。若式 ( 3 ) 成立， 则 H 为裂纹信号， 磊 不同时满足上述条 件， 则为干扰信号。 5 裂纹信号定量分析 设采样离散信号经滤波、 野点剔除等预处理后 得到的信号为 ， 一1 ， 2 ， ， N一1 ， 则对应的傅立 叶变换有 X ( D一z e i ( 4 ) 功率谱密度 G ( _厂 ) 一L ( 5 ) 式中 卜频率间隔的倒数 功 率 谱 户 ( 一f G ( ， ) d ， J O 对裂纹信号在过零处前后各取 8 0 0 点的数据由 式( 4 ) ( 6 ) 求谱峰 G 一、 功率谱 P ( ， ) 及谱能 E ， 则 裂纹宽度和深度分别为 2 b F1 ( G ， 户( E) d F 2 ( G ， 户 ( ， ) ， E) E 一户 ( 在大量实验基础上， 采用灰色系统建模方法 可得 2 b = G ( 1 + ( ) ) 0 0 3 8 ( 7 ) d一 2 b ( 1一 e 1 l Z K ) 2 2 ( 8 ) 式中G谱峰值 A 谱峰的平均值 E裂纹的谱能量 K 一 手 磁 敏 元件Ha l l 片 组成 的纵 向 Ha l l 片 阵 中 个片长 3 mm， 在裂纹长度3 mm时 ， 可由灰色 系统 建模方法和实验数据推导裂纹长度 L ， 即 L _ E ( 1 + 一 + ( E l ( + ) 式中B 裂纹谱能平均值 深宽比 则在光栅第 i 点时的裂纹总长为( 图 4 ) L 一 Li + L ； ( 1 0 ) 裂坟 + 1 + 2 堕! 图 4 L的上角标表示传感器在第 i 个光脉冲时的裂 纹长度。当传感器转过一个角