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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

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生箜 塑 煤 矿 机 械 7 5 文 章 编号 ： 1 0 0 3 0 7 9 4( 2 0 0 5 ) 1 0 0 0 7 5 0 3 A u t o C A D V B A与M A T L A B混合编程开发机器人仿真系统* 梁飞华。 。邓宇。 。邢镇容 ( 1 茂名学院 ，广东 茂名 5 2 5 0 0 0 ；2 太原理工大学 ，太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ：介绍应用 V B A与 M A T L A B进行混合编程开发机器人仿真系统的方法。该方法以A u t o C A D V B A为开发环境 ， M A T L A B作为后 台矩阵计算 引擎， A u t o C A D作为 图形显示界 面。 以六转动 关节机器人为例 ， 阐述 了系统开发过程 中的关键技术， 给 出了部分程序代码 ， 并介绍 了仿真软件 系 统 的结构 。 关键词 ：机 器人仿 真 ； A u t o C A D V B A； M A T L A B ；混合编程 中图 号 ：T P 3 9 1 9 1 引言 随着微机技术和计算机图形学的迅速发展， 对 仿真系统功能的要求越来越高， 多个软件间的混合 编程方法越来越多地被应用于仿真软件的开发。本 文以 E T一1 8 H E R O六关节机器人为仿真对象， 基于 A u t o C A D软件环境 ， 利用 V B A二次开发工具与科学 计算软件 M A T L A B进行混合编程 ， 形成一个集机器 人三维实体参数化造型、 图形示教及轨迹规划等多 种功能于一体的机器人运动学动态仿真系统。在程 序设计方面， 采用模块化设计 ， 应用菜单技术， 实现 了系统 的功能 ， 用户界面友好。 2系统设 计与 实现 2 1 系统 设计 2 1 1 A u t o C A D及 V B A优 点 A u t o C A D V B A有 以下几点好处 ： 易学易用 ； V B A运行在 A u t o C A D相同的处理空间， 使程序运 行非常快 ； 对话框构建快速 、 高效 ， 允许 开发者快 速地定制程序原形 和收到设计 的及时反馈 ； 工程 可以单独存在 ， 亦可以嵌入在图形中， 这给开发者在 发行它们的应用程序时以极 大的灵活性 ； 大大强 化了 A u t o C A D与数据库的通讯能力 ； 提供 了与其 它应用程序的应用集成 ， 可 以利用其它应用程序的 对象库实现对其它应用程序的控制 ， 例如 M i c r o s o f t Wo r d和 E x c e l 等。所 以， A u t o C A D V B A开发环境 的 应 用也 更 为广泛 。 2 1 2使用 V B A编程 的基本步骤 ( 1 ) 启动 A u t o C A D， 打开工具 ( T O O L S ) 菜单及宏 ( M a c ro) 子菜单 ， 选择 V B A编辑 器。 则进 入 V B A环 境 。 ( 2 ) 创建用户窗体及有关模块、 定义操作对象变 量并初始化 ， 在工程资源管理器中可 以查看 到当前 * 广东省茂名学院 自然科学基金( 2 0 3 2 0 6 ) 文献标识 码 ：A 活动图文对象 T h i s d r a w i n g ， 它是一专用对象， 只代表 当前工程的活动图文对象 ， 也就是说 。 不管新建或打 开哪个工程 ， 也不管工 程打开多少 文档 。 都用 T h i s d r a w i n g 这个专 用词指 向它所 在的 A u t o C A D环境 的 当前的活动图文对象。 ( 3 ) 实体对象的创建与编辑 在创建实体对 象之前 ， 要确定实体将放于何 处 ， 即是模型空间、 图纸空间， 还是存放在块 中。 不论 在哪个对象中创建实体。 都要先引用这个对象。 创建基本实体。用 A d d E n t i t y n a me形式的方 法 ， 即“ 创建( A d d ) ” +“ 实体名字( E n t i t y N a m e ) ” 。 实体对象的编辑 。实体编辑是 V B A编辑 中 最常用的操作 ， 这些编辑操作包括复制 、 移动 、 删 除 等。在编辑对象前必须对其引用。 2 1 3 V B A与 M a t l a b 6 0的混合编 程 通过对 MA T L A B应用程序 接 口的分析 ， 可 以发 现 MA T L A B提供了客户 服务器 ( C l i e n t S e r v e r ) 功能。 利用其中的动态数据交换( D D E ) 服务功能和 A c t i v e X 自动化( O L E自动化) 服务功能 ， 可以实现在 V B A中 对 M A T L A B函数 的调用 ， 并通过 m x A r r a y s ( MA T L A B 中的基本数据类型) 与 M A T L A B工作空间交换数据 ， 从而增强 V B A的数值计算能 力和数据 的可视化能 力 。下面介绍在 V B A程序 中调用 M A T L A B的方法。 ( 1 ) M A T L A B的 A c t i v e X自动化服务功能 A c t i v e X自动化 ( O L E自动化 ) 协议 是一种允许 一个应用程序( 控制端) 去控制 另一个应用程序( 服 务器端) 的协议。由于 V B A支持 A c t i v e X 自动化控 制端协议 ， M A T L A B支持 A c t i v e X自动化服务器端协 议， 如果已经建立一个 V B A应用程序和 M A T L A B之 问的 A c t i v e X自动化 连接， 在一个 V B A应用程序 中 就可以调用 M A T L A B的命令 ， 向 MA T L A B传送或从 MA T L A B接收矩阵数组。 维普资讯 7 6 A u t o C A D V B A与M A T L A B 混合编程开发机器人仿真系统梁飞华， 等 2 0 0 5年第 1 0期 利用 A c t i v e X编程思想 ， 将 V B A与 Ma t l a b 6 0进 行无缝连接 ， 使编程更快捷、 更专业、 更灵 活。混合 编程思路为 ： 用 V B A进行用户接 口、 数据获得 的编 程 ， 在数据处理、 复杂图形绘制时 ， 通过 A c t i v e X接口 使用 M a t l a b ， 将 Ma t l a b处理的结果 回传给 V B A 。简 而言之： 即前台是 V B A编程 ， 后 台是 M a t l a b辅助。 如图 1 所 示 。 基 于A u t o C A D 的V B A 编程平台 v e X 对象 回传M A T 理数据 理结果 l 姒 T L B 处 理 平 台l 图 1 VB A与 MA T L AB的 混 合 编 程 关 系 Fi g 1 Re l a l i o ns h i p o f pr o g r a m ( 2 ) M a t l a b的 A c fi v e X接口介绍 Ma t l a b的 A c t i v e X接 口使其 能 同时支持 A c t i v e 客户和服务器的应用。针对上文混合编程的思路 ， 在本文中，仅对其作为 A c t i v e服务器这一应用进行 介绍。A c t i v e 服务器 ，即表示 M a t l a b可以被任何可 作 A c t i v e X容 器的 Wi n d o w s程序加载并控制。Ma t 1 a b 6 0安装后 ，即在 Wi n d o w s 注 册 表 中注册了一个 A c fi v e X接 口项 Ma t l a b A p p l i c a t i o n 。它支持 5个方法 ： E x e c u t e ： 此方法的定义为： B S T R Exe c u t e ( i n B S T R C o rn m n d ) 用在 Ma t l a b中执行一条语句。它接受一个 Ma t l a b的命令字符串作为参数 ， 在 M a t l a b工作 区内执行 这条命令 ， 并返回输出字符串， 命令生成的图形窗口 将显示在屏幕上。 G e t F u l l Ma t r i x ： 此方法 的定 义为 ： v o i d G e t F u l l Ma t r i x ( i n B S T R N a m e ， i n B S T R Wo r k s p a c e ， i n ， o u t s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p r ， i n ， o u t S A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p i ) 此方法用来将 Ma t l ab 中的一个矩阵变量传送到 V B程序的一个 1 维或 2维数据组中。其中 N a m e 指 定了 Ma t l a b中的矩阵变量名 ； Wo r k s p a c e 指定 了该矩 阵变量所在的 Ma t l a b工作 区， 一般用 “ b a s e ” 表示 ； p r 是指 向 V B程序中的实部数据组 ， p i 是指 向虚部数 据 。 P u t F u l l Ma t r i x 此方法 的定 义为 ： v o i d P u t F u l 1 M a t r i x( i n B S T R N a m e ， i n 姗Wo r k s p a c e ， i n ， o u t s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p r ， i n ， m n s A F E A R R A Y ( d o u b l e ) * p i ) 此方法用于将 V B程序的一个 1 维或 2维数据 组传送到 Ma t l a b的矩阵变量中去。 M i n i m i z e C o m m a n d Wi n d o w 此方法用于使 Ma t l a b命令行 ( C o m m a n d ) 窗 口最 小化， 其定义为： v o i d Mi n i m i z e C o m m a n d Wi n d o w ( )可以直接调用。 M a x i m i z e C o m m a n d Wi n d o w 此方法用于使 M a t l a b命令行 ( C o m ma n d ) 窗 口最 大化， 其定义为： v o i d Ma x i m i z e C o m m a n d Wi n d o w ( )可以直接调用。 Ma t l a b对象的的这些方法 ， 在支持 A c t i v e X的应 用程序 中都可以直接调用。因此工作中可以在 V B 等高级语言中都能进行应用。同时各种编程语言也 可以根据 自身工作 的不同， 创建 自己操纵 M a t l a b的 方法。 ( 3 ) V B A与 M a d a b 6 0基于 A c t i v e X的混合编程 使用 V B A与 M a t l a b 6 0的混合 编程 ， 首先应在 应用程序中创建 A c t i v e X对象 ： D i m Ma t l a b a s O b j e c t S e t Ma t l a b =C r e a t e O b j e c t ( “ Ma t l a b A p p l i c a t i o n ” ) 然 后 可以运用 上节介 绍 的 5种方法 对 Ma t l a b 进 行操作 ， 传递数据 ， 执行命令 ， 获得数据 ， 最大、 最小 化 M a t l a b等。语句简单方便 。 2 2系统的 结构和功 能 如图2所示， 系统主要模块有 ： 三维造型模块、 单步示教模块 、 动 画仿真模块、 轨迹规划模块、 数据 记录模块及当前位姿模块。该系统可实现的功能主 要有 ： ( 1 ) 在建立机器人数学模型 的基础 上， 构造 了 E T一1 8 H E R O的机器人 的几何模型 ， 能在微机 上显 示其三维图形 ； 并且可以按照用户通过对话框输入 的尺寸修改模 型， 在交 互方式 下， 实 现 了 E T一1 8 H E R O的参数化三维造 型。( 2 ) 能够 在关 节空间和 笛卡尔空间中进行机器人运动学 的单步示教， 并可 实现机器人各个关节的连续动画显示。( 3 )可在屏 幕上显示其各状态机器人各关节的关节变量和手爪 位姿的具体数值 ， 并将示教数据写入数据文件。( 4 ) 能够在笛卡尔空间中进行轨迹规划仿真。给定机器 人手爪的起始、 终止位姿 ， 就可按照直线插补及圆弧 插补方法， 在屏幕上显示出各个动态插补状态。 维普资讯 2 0 0 5年第 l 0期 A u t o C A D V B A与M A T L A B 混合编程开发机器人仿真系统梁飞华， 等 7 7 图 2 机器人仿真 系统结构框图 Fi g 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s i mu l a t i o n s y s t e m A u t o C A D系统加载 的机器人菜单如图 3所示 ， 其中造型模块运行结果如图 4所示。 图 3机器 人 粟 单 F i g 3 Ro b o t I n e i l u 3结语 本文给出的是一个机器人的参数化造型和仿真 系统 ， 该系统以 E T一1 8 H E R O机器人为仿真对象， 以 实体造型技术进行了机器人的几何造型。系统能在 微机上显示机器人的三维图形 ， 可 以按照用户给出 的尺寸修改模型， 在交互方式下 ， 实现 E T一1 8 H E R O 的参数化造型 ； 该系统能够在关节空间和笛卡尔空 间中进行运动学的图形仿真 ，还能进行点到点直线 插补轨迹的动画显示 ， 机器人的动作可以示教再现 ， 也可以由程序设定。该系统选 用 A u t o C A D V B A语 言编程 ， 程序采用模块 化设 计方法 ， 应用 了菜 单技 术。其特点： ( 1 ) 低硬件要求 ； ( 2 ) 三维图形 的高质 量； ( 3 ) 实时性 ； ( 4 ) 易开发性。 图 4 E T一1 8 H E R O造型模块 运行 结果 Fig 4 Th e r e s ul t o f mo d e l i ng 参考文献 ： 1 蔡 自兴 机器人学 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 0 2 梁飞华 A u t o C A D V B A与 M A T L A B环境 下的机 器人 运动 学仿 真 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 3 3 赵志诫 基 于 V B与 MA T L A B的直流调速 系统仿真软件 开发 J 电气传动 自动化 ， 2 0 0 2 ， ( 1 ) ： 3 7 4 0 4 王跃强 V B程 序中实现调 用 MA T L A B的方法 J 计 算机应 用 ， 2 0 0 1 。 2 1 ( 2 ) ： 9 5 9 6 5 李波 机器人三维运动仿真 盯 机器人 ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 7 ) ： 4 44 6 作者简介 ：梁飞 华 ( 1 9 6 8一) ， 广 东 茂 名 人 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 从 事 C A D C A M及 计算 机 仿 真 等 领 域 的 教 学 与 科 研 工 作 T e l ： 0 6 6 8 2 9 2 3 9 1 7 E ma i l ： f e ih u a O 0 6 1 6 3 c 0 m 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 6 0 3 Au t o CAD VBA M i x e d t h MAT L AB Pr o g r a m t o De v e l o p Ro b o t i m ul at m n y s t e m LI ANG Fe i hu a ，DENG yu*，XI NG Zhe nt o n g 2 ( 1 Ma o m i n g C o l l e g e ， Ma o mi n g 5 2 5 0 0 0， C h i n a ； 2 T a i y u a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，T a l y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t r o d u c e t h e me tho d a p p l y VBA a n d MAT LAB mi x e d p r o g r a m t o d e v e l o p the rob o t s i mu l a t i o n s y s t e m T h a t me thod u s e d Au t o CAD VB A 日 L s the d e v e l o p me n t e n v i ron me n t 。MATLAB a s the b a c k s t a g e ma t r i x c a l c u l a t i o n e n g i n e。AU- t o C A D日 L s t h e g r a p h i c d i s p l a y i n t e r f a c e E x a m p l e d w i th t l I e 8 i x t u r n i n g j o i n t robot 。 e x p a t i a t i n g t h e k e y t e c h n i q u e s i n t h e s y s t e m d e v e l o p me n t p r o c e s s 。g i v i n g p a r t s o f p rogra m c o d e。an d i n t rod u c i n g t h e s i mu l a t i o n s o f t wa r e s y s t e m Sa me wo r k Ke y wo r d s ： rob o t s i mu l a t i o n；Au t o C AD VBA；MATLA B；mi x e d p rog r a m MG1 8 0 4 2 0一W D 型 半 煤 岩 电 牵 引 采 煤 机 在 良 庄 矿 试 制 成 功 最近 ， 由山东新汶矿业集 团良庄煤矿担 任工业性实验 的 M G 1 8 0 4 2 0一WD型半 煤岩 电牵 引采煤机 ， 通 过 了有关专 家 的鉴 定 ， 各项技术指标均 达到国内先进水平 。 新汶矿 区的 1 5层煤储量 丰富 ， 但结构较为复杂 ， 煤夹矸平均厚度 0 4 5 m， 厚 度系数 ， =0 2 23 0 ， 过去受设 备条件 和采煤 工艺的限制， 一直采用对煤层夹矸实施爆破松动， D Y一1 5 0采煤机截煤， 单体支柱配金属铰接顶梁支护顶板 ， 效率低下， 近十几 年来多数矿井均未对其进行开采 。为此 ， 该矿通过市场调研 和综合考虑 ， 联合 中国矿业大学 、 无锡 盛达机 械制造公 司等 共 同 研制开发 了 MG 1 8 0 4 2 0一WD半煤岩电牵引采煤机 ， 该机采用 1 1 4 0 V电压直 接供电 ， 截割 部采用 3层喷雾 灭火装 置和强 力破 岩滚筒 ， 具有很好 的灭尘效果 和较强 的破岩能力 。为保证实验 成功 ， 该 矿成立 了由矿长 、 总工程 师和专业 技术人 员参加 的实 验小组， 组织专人现场收集和分析技术参数， 及时发现和解决采煤机使用过程中存在的问题。 良庄煤矿 供稿 维普资讯 P L C在 变 频 调 速 仿 形 喷 涂 机 器 人 控 制 系 统 t ：D fl 9 应 用 竖 南京理工大学制造工程 学院 。 南京 2 1 0 0 9 4 ) 【 摘要】 强拽所研制并已在实际生产作业中 使用的仿形喷潦机器为倒， 舟绍了强 P L C为核心 的查龋控制系统一设系统具 有硬件简单 、 操作方便、 运行安垒可靠的特点： 詈 茎 1T P2 4控2 2 器T P2 73 12 兰 坠 翌 北 -7 8 【 中围分类号 ； ； T l 。 一 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 9 0 1 3 4 ( 2 0 0 0 ) 1 0 0 0 5 5 0 3 0 概述 仿形喷涂是根据被喷涂对象的特点，简化通用 机器人结构和控制形式 使其结构简单、 造价低廉 、 喷涂质量高 、 维修简单。据国外公 司提供的数据 采 用仿形喷涂作业 。 喷房内部尺寸可以减少 2 3 ； 排风 量减少 3 5 ； 漆雾处理的冲水流量减少 1 3 ； 涂料节 省 3 0 一5 0 ( 采用静电喷潦) 。因此 ， 仿形喷涂广 泛应用于汽车、铁路机车车辆制造等行业 ，完成喷 涂对象的顶部和侧面喷涂作业 。 本文介绍的仿形喷椽机器人，是由我所竣计 ， 采用了 P L C控制的变频调速技术。 觋 已在某厂轿车 喷涂线上使用 。 1 它按 面喷 离及 椽 时 固定 构 固 韩军 丁 。 丁 变频器按程序控制 ，使两种运动的合成轨迹符合轿 车的顶部形状 。当轿车进入喷涂工作区时 启动仿 形行车运行 ，运行 中由行程开关作 为 P L C输人信 号 ，通过 P L C控制两台电机的变频调速 ，从而达到 仿形喷涂的 目的。 2 P L c控制系统的设计 2 1 控铷功能 根据轿攀喷涂工艺 的要求 仿形喷涂机器人的 功能设 置 主要有 ： ( 1 )归位使喷擦 机每次开始工作前 ，都处于 初始位置。 维普资讯 制 造 业 自 动 化 ( 2 J点动 主要用于系统单个功能的调试。包 括 ： 正行 、 反行 、 喷漆 、 清洗。 ( 3 ) 循环正常喷涂时使用。主要功能有： 设置 喷 潦速度 、 循 环速 度 、 流平时 问。 通过 1台可编程控制器的控制实现以上设置 的 功能， 同时由可编程控制器控制两台变频器。1 台为 富士 F V R 0 1 5 G 7 S ( 1 5 k W) 驱动 0 7 5 k W 电机带动水 平方向运动的行车 ， 另 1台为三菱 F R A 0 2 4 ( 1 k W) 驱 动 O 5 k W 电机拖动顶喷 4连杆结构的垂直运动 ， 由 这两种运动的台成， 完成“ 仿形喷涂” 的 目的。 整个喷涂过程中 ，在仿形喷涂机器人的运行轨 道上设置有 “ 反停 ” 、 “ 开喷” 、 “ 快速” 、 “ 慢速” “ 停喷” 等行程开关 ，以使机器人能够准确地按设计好 的轨 迹运 动 ， 见 图 2 。 反停 开啃 快避慢 停嗬 图 2 仿 形啧潦过 程示意图 2 2圭控器的设计 控制系统的主控器选用 日本三菱电气公 司生产 的 4 o MR小型 P L C 用 P L C来实现仿形喷涂机 盥 柏 F I 一 4 0 M R 塑 栅 2 4 3 0 甾 “翼m 盥L 荨 ： 嚣 翊 盗 如 _ 二 J 4 龇r 抽 l 4 3 5 5 鹏 _ 苎 堑 圆 一 437 量 5 【 0 5 ” 芷转r一 【 5 3 _ 一 崮 5 0 T 3 3 4 篮 一r 口 囤 3 输 八 输 出分配连接 践图 器人 的整个系统的控制 ，系统控制的输入 输出分 配及 接线 如图 3 。 2 3 软件设计 采用梯形图语言编程 ， 软件流程如图 4所示。 图 4软停 流 程 图 框图中的初始化程序用于检查仿形喷涂机器人 及各行程开关的状态是否处于初始位置，如果不在 初始位置， 喷涂机首先进行“ 归位” 动作 ， 使喷涂机回 到初始位置。 框图中程序的转换均是利用状态继电器，循环计 数器及相应位置的行程开关来宾现的。循环程序的实 现， 是靠“ 靛卷器” ( s ) 及步遴梯形指令( S T L ) 的组台使 用， 其功能是， 当状态器 ( s h 接通对， 相应的步进指令 接通 ， 其后的电路才动作； 当状态器 ( s m ) 接通时， 状态 器 ( s n )自动复位， 其步进指令吼詹的所有输出状态自 动复位， 若需保持输出状态可用萋位指令， 在需要撤消 输出拣态时， 可用复位指令 ( 下转第6 2 员) 维普资讯 错j 趟 自 动 化 换 、 远方手自动、 就地面板控制。 ( 2 ) 变频器工作电源冗余 、 控制电源冗余。 ( 3 1 完善保护报警监视功能。 ( 4 j电气回路控制 自动化程度高、控制回路简 单 、可靠 ，符合工厂 自动化发展趋势采用 P L C 技术代替继电器控制 系统 ， 使硬件软件化 ， 提高工作 可靠性和系统的柔性。且 P L C故障率近于零 、可靠 性高 ， 功能完善。 ( 5 ) 手操器断电及恢复时安全保护功能完善 ( 6 )优异的调节性能启动平稳、调节范围 宽、 调节性线度可达 0 9 9 、 控制精度商。 ( 7 ) 系统适应性强 ， 可 以接受 D C S 、 单回路调节 ( 上接第 5 6页) 采用步进梯形指令后， 可以很容易地实现顺序控制 、 同一输出指令可出现在不同的程序序步中，所以采 用步进指令对于较为复杂的控制程序的设计非常方 便 ， 有助于提高设计效率 、 便于调试运行 ， 程序易于 理解 ， 并且太大减少了程序所需要的步数。 功能转换是利用跳转指令结台控制面板上的开 关来实现 的 为了增加工作辑蘼靠性，在鞣榫设计中采用 了 时间定时监控的方法，_ ；一 强某_= 、 过程运动耐间超过 预计设计范围， 即采取措施， 并发出声、 光报警， 提醒 操作人员。 3 结束语 该系统的控制核心为r L C ， P L C 过程序控 制两台变频器，每台变频器又分藕控制球平方侮波 垂直方向的1台电机。变频器通过参数单元可方便 地设置_ k 下限频率 基底频率 高、 中、 低 3 速设 定 、 加 减速时间等基本功能， 还可避撩标准薅行功 能、 动作选择功能、 校正功能 、 辅助秘能的设定 ， 且具 有多种故障显示及保护功能。因此整个磊境爵靠性 高、 组态灵活、 编程简单、 调试维护方便。 耐矫 不筒 的车辆通过编程可方便地达到仿形囔涂舶哥豹。 f 参考文 献1 1 】 F z 系列可编程控 制器用户手 册【 Z1 2 F R -A 0 2 4 A 0 4 4系列三菱变频谓速器使用手册f z bl F u j i n v e n t e r F V R G 7 S E X 蚺雠如n M u a l Z 】 器、 模拟仪表 、 计算机控制系统 、 P L C等系统的调节 信号。 ( 8 ) 由于选用智能手操器， 可通过手操器的跳线 方式得到各种信号制的信号， 实用性 、 通用性强。 ( 9 ) 自动控制系统在线不断电检修。 此方案已经用 于许多电厂 的给粉机调速 系统 ， 实践证明，用变频器以及一些辅助电气设备可以实 现给粉机的变频调速控制、并且运行可靠 、节约能 源、 降低成本 。此方案中的供电电源系统稳定 可靠、 操作简单 ， 完全满足生产要求 且提高给粉的经济和 技术指标 ， 系统具有较强现实意义和推广价值。 欢迎订阅 焊接学报 焊接学报是由中国科学技术协会主管 中I 机械工程学会主办，由哈尔滨焊接研究所承办并 辑出版的国内外公开发行的焊接学术期刊。本刊： 要刊登焊接各专业学科理论研究的专题论文和反 焊接新材料 、 新设备、 新工艺方法 、 新检测方法的 题论文。 它代表了中国的焊接学术水平， 具有一定 权威性 ， 在 国内外拥有广大 的读者， 在 国际上有一j 的声誉。读者对象是国内外广大的焊接工作者 焊接学报 于 1 9 8 0年创刊 ， 从 2 0 0 0年第 l 起扩版为国际开本大 l 6开 ， 页码由 6 4页增加到 9 员， 并增设多项栏 目， 信息量增加 l倍以上。2 0 0 1 为双月刊。 本刊曾多次被评为优秀科技期刊， 曾先 被美国出版 的 工程索引 ( E I ) 、 科学引文索引 l s c I ) 等多家检索系统收录。 本刊是首批被定为我 I 自然科学核心期刊的， 是中国科技论文统计源期刊 也是 中国学术期刊( 光盘版) 首批入录期刊。本 观 已加人了万 方数据 ( C h i n a i n f o ) 系统科技期刊群 。 本刊多擞被中国科协 、 国家新闻出版署选中， 代表 国期刊参加香港 ( 地区) 、 新加坡 、 澳大利亚 、 意大 等善家的书刊展览。 车 刊地 址 ： 螬求滨市和兴路 1 1 号 焊接学报编辑 i 邮编： 稍目 8 0 电子信箱 ： 誊 I 谤口 u b l i c h r h i c n 负责： 王亚电话 ： 0 4 5 1一 2 5 9 1 9 传真 ： 0 4 5 1- 6 3 2 5 9 1 9 订胸 处 ： 全 国各地邮局 邮 发代号 1 4 1 7 刊号： 西IS S N 0 = _2 5 3 - 3。 6 0 X 国外代号 ： Q3 2 2 定价 ： 1 5 0 0元 维普资讯 第 2 5卷 第 4期 2 0 0 3年 l 2月 南 昌大 学 学报 ( 工 科版 ) J o u r n a l o f Na n c h a n g Un i v e r s i t y ( E n g i n e e r i n g & Te c h n o l o g y ) VO1 25 NO 4 De c 2 003 文章 编 号 ： 1 0 0 6 0 4 5 6 ( 2 0 0 3 ) 0 40 0 1 4 0 3 P L C在爬行式焊接机器人中的应用 刘伟 力， 刘 国平， 张华， 欧光锋 ( 南 昌大 学 机 电工 程 学院 ， 江 西 南 昌 3 3 0 0 2 9 ) 摘 要 ： 针 对爬 行 式智 能弧 焊 机器 人 的控制 ， 提 出了 一 种 由 P L C作 为主 控 制 器 的 控 制方 法 提 出了 P L C作 为 控 制 器在 焊 接过 程 中 的优 势 ， 对 系统 的硬 件组 成 作 了简要 的 介 绍 ， 分 析 了 系统 的工 作 过 程 详 细 阐述 了 P L C的选 型 、 各 种信 号 的确 定 及 I O分配 、 接 口的接 线 和 P I C的编 程 实 验证 明该 系统 工 作稳 定 ， 跟 踪精 度可 达到 1 mm， 满 足 了 焊 接 质量 的要 求 关键 词 ： P L C； 人机 界 面 ； 爬行 机 器人 中 图法 分类 号 ： T P 2 4 2 6 文 献 标识 码 ： A 1 引言 对 于机器 人 的控 制 ， 大部 分采 用的是 通用 的计 算 机和单 片机系统 ， 通 用 计算 机 和单 片机 控制 系统 对工作 环 境要 求 高 ， 可 靠性 不是 很 强 ， 且其 编程 复 杂， 必 须具有一 定 的专 业知 识， 对操 作 人员 要求 高 ， 推广性 差 P L C是 一 种工 业 专 用计 算 机 ， 输 入 量 可 以直接 为按钮或 触点开关量 ， 输 出 口带 载能力较强 ， 可直接驱 动 电磁 阀或 继 电器 ， 扩 展后 还 可以驱 动 各 种 电机 因此 ， 系统连 线 简单 ， 省去众 多 的触 点控 制 环节 同时 ， 它还 具有 通 用性 强 ( 系列化 、 模块 化、 软 件编程 ) 、 可靠 性 高 、 环境 适 应性 好等 优 点 在 P L C 梯形 图 中使用 的顺 序控 法 是一 种先 进 的设 计方 法， 它易学 易懂 ， 具有很 好的通 用性 和规范性 ， 使用它 可 以 节 约 大 量 的 系 统 开 发 时 间 ， 提 高 开 发 的 效 率 【 1 J 2系统 简 介 及 工 作 过 程 分析 2 1 系 统 简介 系统主要 由爬行 机构 ( 轮 履复 合式 小 车) 、 十 字 滑块及其控制 系统 、 焊接 机构 ( 包 括焊接 电源 、 送 丝 送气设备 、 焊枪 、 摆 动机构 及 其控 制 器 ) 、 P L C 、 小 车 驱动 电路 ( 包括 交 流 伺 服 电机 、 电机 驱 动 器 、 光 码 盘 【 2 ) 、 人机界面 ( 可编程触 摸 式显 示器 和 各种指 示 灯 及操作 按钮) 、 电流变送器 等组成 ， 如图 1所示 十字滑 块跟 踪 系统 是一 个独 立 的系统 ， 它能实 现 各种焊缝 的识别并在 一定的范 围内可以进行焊缝 的跟踪 ， 但它 左右 方 向上 的 移动 范 围为 6 0 mm， 跟 踪范 围窄 ， 焊接的 自动化 程度 也是不够高 的 为了提 高它的跟踪范 围， 可以 把它 安装 到能 够进 行 爬壁 的 爬行机构上 由于它提供 了一些对外 的接 口， 通过接 口， P L C可 以获 取它 的 一些 有 用 的 信 息， 根 据 十 字 滑块 的状态来驱动 爬行 机构 配 合它 的运 动， 十 字滑 块 进行精确跟踪 ， 爬行机构进行粗 跟踪 ， 最终达到焊 缝 的 精 确 跟 踪 2 2工作过程分析 控制 系统 需要 完成 的工作 分为 两个 部分 ： 手 动 过程和 自动过 程， 系统 的工作流程 图如图 2所示 可 电流变送 器 悍 倭 吧 j f 编 r _ 1 光 电 编 码 器 程 l ， l 序 = j 电 机 驱 动 器 l 电 机 一I 爬 行 机 构 寅 焊 电 工 控 一 l 枪 弧 件 制 l 十 字滑 块控 制系 统 l l 器 I l l -卜 字滑块卜 T L 激 光图像 传感 系统 图 1 爬行 式智 能弧 焊 机器 人 系统 收 稿 日期 ： 2 0 0 30 5 0 9 基 金 项 目 ： 国家 自然 科学 基 金 资助项 目( 5 0 0 7 5 0 3 7 ) ； 国家 高新 技 犬研 究发 展计 划 ( 8 6 3 计 划 ) 项 目( 2 0 0 1 AA 4 2 2 2 2 0 ) 作者简介 ； 刘伟力， 男， 1 9 7 8年生， 硕士研究生 维普资讯 第 4期 刘伟 力 等 ： P L C在爬行 式 焊接 机器 人 中 的应用 系统启动 I 转换到自 动跟踪焊接 一 手调 小 车 进行 跟踪 焊接 控制 焊 枪基 本对 准焊 缝 设 置 各种参 数 Y 十 字滑 块寻 找焊 缝 图 2系 统 工 作 流 程 图 2 2 1 手 动 过 程 完 成 的 任 务 当系 统处 于手 动状 态时 ， 操 作者 可以通 过具有 4个 控制 方 向 的摇柄 来 控制 小车 的运 动 ， 它 的两 轮 速度 可通过人机 界面 ( 可编 程 显示器 ) 来 设定 ， 经 过 小车的调整使焊 枪 基 本上对 上焊 缝 ， 为下步 的 自动 跟 踪打好基础 ， 同时在 这个 状 态 中还可 以 对焊接 的 各 种 参 数 和 工 艺 进 行 设 置 2 2 2 自动 过 程 完 成 的任 务 当系统处在 自动状态时 ， 操作者可 以通过 启动、 停止来 控制焊接过 程， 系统 自动状态一 旦启动， 就 必 须 自动完成 焊缝 的轨 迹 跟踪 、 焊 接及 焊接 过 程的 监 视 ， 同 时 还 要 处 理 系 统 出 错 的 问题 3 PL C控 制 电 路 的设 计 3 1 P L C选 型 由于 P L C既 要处理各种逻 辑开 关量 ， 又有 模拟 量 的输入输 出， 并 且 P L C还 能 与 上位 机进 行 通信 ， 在 系统 中的点数 也 不是 很 多， 因此 在这 采 用 了 日本 OMR ON公 司 的 C QMI H 系 列 C QMI H 是 一种 紧 凑的模块 化的支持通 信功能和其 他先进功能的高速 可编程序控制 器， 它 可 以在 1 6 2 5 6点之 间进 行扩 展 I O 口， 具有 灵活 的系统 配置 和 串行通 信协 议 功 能， 并且 C P U具有 内插板 的用户 安装 插件 板， 网络 通信 、 宽范 围的监视和设 置方法 ， 更高 的速度和更 大 的容量 的 加 强 这 些 特 性 使 它 具有 更 强 的控 制 能 力 【 3 在 这 作 了 如 下 配 置 ， 如 表 1所 示 3 2输 人和输 出点的分配 根据 系统 的需 要 ， 本系 统 扩 展 了 1块输 入和 1 块输 出模 块， 同时在 系统 中还 有 4路 模拟 量 的输 入 和 2路输 出 ， 主要输入点分 配如下 ： 0 0 0 0 0 自动 的 启动 按 键 0 0 0 0 7报警 确认 按键 0 0 0 0 1 自动的停止按键 0 0 0 1 0滑块右控位开关 0 0 0 0 2手 动 自动 的 切 换 0 0 0 1 1 滑 块 左 控 位 开 关 0 0 0 0 3小 车 向前 运 动 按 键 0 0 0 1 2滑块 中位 开关 0 0 0 0 4小 车 向 后运 动 按 键 0 0 0 1 4系统 出错报警 0 0 0 0 5小 车 向 左 运 动 按 键 0 0 1 0 1 焊 缝找到 0 0 0 0 6小车向右运动按键 0 0 1 0 4滑 块 向右 运 动 0 0 1 0 5滑 块 向左 运 动 2 3 2 检测 电流值 ( 模拟量 ) 2 3 3 左轮速度反 馈 电压值 ( 模拟量 ) 2 3 4 右轮速度反 馈 电压值 ( 模拟量 ) 系统 主要输 出点分配 如下 ： 1 0 0 0 0找 到 焊 缝 指 示 灯 1 0 0 0 1 启 动 指 示 灯 1 0 0 0 3 起 弧 指 示 灯 1 0 0 0 4中 位 指 示 灯 1 0 0 0 5 报警指示灯 1 0 0 1 2开始送丝信号 1 0 0 0 6 1 0 0 1 1 P L C 对 滑 块 控 制 系统 的 启 动 、 停止 、 错误确认等 控制信号 2 3 6小 车左 电机转 速控制 电压 输出( 模 拟量) 2 3 7 小 车右 电机 转速控制 电压输出( 模 拟量) 3 3 P L C控制 系统 I O接 口电路 P L C在 系统 中主 要是 协 调 各 个 子 系 统 能按 照 ： 晖接 工艺的要求进行工 作 因此 ， 它既 要完成各种逻 辑控制 ， 同时还要 进行 系统 的监 控， 整个 P L C控制 器的 I o接 口电路 示意 图如 图 3所示 系统 一共 用 了 2 2个 数字 量输入 口、 1 4个 数字 量 输 出 口、 3个 模 拟量 输入 口、 2个 模 拟量 输 出 口和 1个 串行通 信 口 R S 2 3 2口 各 种开关 、 按钮 和 指示 灯都 是 由 2 4 V 直 流电源供 电的 ； 电流 变 送器 检 测到 4 2 0 mA 的 电 流 ， 通过模 拟量 输 入 口进 入 P L C； 左 右 轮 的速 度 检 测是从 电机驱 动 器提 供 的接 口中提 取 出 一5 +5 V 电压值 ， 然 后通 过 模 拟量 输 入 口进 入 到 P L C， 进 行运 算后在可编 程序 显示 器 中显 示 出来 ； 左 右 电机 的控制 电压 由 P L C模拟量输 出 口提供 ， 控 制 电压值 为 一5 +5 V； P L C与可编 程序 显示器 的通 信 采用 的是 RS一2 3 2串行通 信方式 ， 驱 动程 序 由可编 程 序 显 示 器 提 供 维普资讯 南 昌大 学学 报 ( 工 科版 ) 2 0 0 3生 表 l C QM1 H型 P L C的配 置 o 一 _0 一 各 各 数 一 种 _ _ 0 o 一 宝 种 按 墼 嚣 一 指 不 钮 -0 a 一 告 一 灯 和 0 0 一 午 勘 一 控 开 制 关 0 o 一 人 输 控 口 一 出 制 _b 一 输 C 0M 入 _ _ o 6 一 2 4 VD _0 o 一 _ _ b o 一 C oM l 十字滑 块 _ 卜 C 0 M2 |控制系统 2 4 V D 一送丝机构 控制系统I 模 f 电 流 检 测 拟 左 轮 控 制 电 压 拟 输 右轮控 制 电压 左轮速度检测E 量 出 输 口 右轮速度检测 人 口 可编程序 R$2 32 l显示器 图 3 PLC的 I 0 口 接 线 不 意 图 4 P L C控制 系统 的编程 由于 人机 界 面 主 体 部 分采 用 的 是可 编 程 显 示 器 ， 它能够 处理各 种数 据 之 间的 转换 和进 行数 据 的 基 本运算 ， 因此数 据 的各 种制 式 的转 换和 运算 都在 可编程 显示器 中完成 ， 这样 就减轻 了 P I C的编程 任 务 在该 系统 中 P L C程序 分 为两 大 部分 ： 手 动调 整 和 自动跟 踪焊接 手 动 子程 序 负责调 整 爬行 机器 人 的初 始位置 自动子程 序流程框 图如图 4所示， 包括 控制 策略的 实现 、 焊 机的开 启以及焊接工艺 的实现， 这其 中还要处理 系统 出错 的问题 C QMI H 型 P LC的 C P U 自带 了一个 外设 端 口 和一个 RS一2 3 2端 口， 所 以对于它的编程 ，既可 以 回 图 4自动 子程 序 流程 框 图 用手握编程 器也可 以用 软件 来 编程 与计 算机 的连 接 既可以用外设端 口， 也 可以通 过 RS一2 3 2串行端 口 由于手握编程 器 只支 持 助记符 形 式而 不 支持 梯 形 图， 因此 它一般用在小 型、 微小型 程序的编制过 程 中 ， 程 序 的语 句较 少 在 这里 采用 了 OMRON 公 司 开发 的 一个 应 用 软 件 C X P r o g r a mme r 3 C X P r o g r a mme r Ve r s i o n 2 1编 程 软 件 是 基 于 Wi n d o ws 9 5 9 8或 W i n d o ws NT 的 用 于 对 Omr o n C S 1系 列 P LC 、 C V 系列 P L C以及 C系列 P L C配置 和编程 的 标 准 软 件 包， 是 一 个 支持 P LC设 备 和 地 址 信 息 、 OMRO N P L C和这些 P L C支持 的 网络 设备 进行 通 信的方便工具 通过这个 软件， 用户可 以进行 系统的 配 置和程序的编写 、 调试 ， 在线诊 断 P L C硬件 状态 ， 控制 P LC的运行 状态和 I O通道 的状态等 4 ( 下 转 第 5 0页 ) 维普资讯 -5 0 南 昌大 学 学报 ( 工 科 版 ) 2 0 0 3焦 1 3 何开胜 ， 戴济群 超 长水泥土桩地 基的安全 监测 J 大坝观测与土工测试 ， 2 0 0 0 ， 2 4 ( 5 ) ： 5 4 1 4 何 开胜 水 泥土 搅 拌桩 设计 计 算方 法 探 讨 J 岩 土 工 程 学 报 ， 2 0 0 2 ， 2 5 ( 1 1 ) 1 5 秦 建 庆 ， 叶观 宝 水 泥 土桩 复 合 地 基 优 化 设 计 的 参 数 确定 J 地 下工 程 与 隧道 ， 1 9 9 9 ， ( 1 ) ： 1 5 1 6 秦 建 庆 ， 陈建 峰 水 泥 土桩 复合 地 基 变 形 控 制 中 的若 干 问题 探讨 J 岩 土工 程 技 术 ， 1 9 9 9 ， ( 2 ) 1 7 连 长江 ， 周 振 国 ， 张 孝 华 水 泥 土 搅 拌 桩 的优 化 设 计 J 住 宅科 技 。 1 9 9 8 ， ( 1 2 ) 1 8 宰金 珉 复 合 桩基 沉 降计 算 最终 应力 法 及 其 应 用 J 土 木工 程学 报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 2 ) 1 9 杨宝 玉， 宋永 强 水 泥 土搅 拌 桩 复 合 地 基 处 理 技 术 的 工程 应用 J 建筑 结构 ， 1 9 9 9 ， ( 5 ) 2 0 叶书 麟 地基 处理 工 程 实例 应用 手 册 M 北 京 ： 中 国 建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 8 S t u dy of I nd o o r s I m i t a t i ng Expe r i m e n t o f Ce m e nt S oi l M i xi n g Pi l e s G J u n QI N Ya nh u a ( S c h o o l o fEn v i r o n me n t a l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， t h e S o u t h e n I n s t i t u t i o n o f M e t a l l u r g y， Ga n z h o u J i a n g x i 3 4 1 0 0 0 ， Ch i n a) Abs t r ac t ： By i ndo or s i mi t a t i ng e x pe r i me nt o f c e me nt s o i l de e p mi xi n g pi l e s ， t he a ut h or o f t hi s a r t i c l e i nf e r s t he r e l a t i o ns hi p be t we e n c e m e nts oi l s t e n gt h，s t a yi ng p o w e r ， l a y o r s t r e n gt h a nd e f f e c t i ve pi l e l e ngt h Al t h o ug h t he i ndo or s e xp e r i m e nt mod e l c a n t i m i t a t e t he s t a t e of de s t r o3 i n g i n t e s t i n g g r o und c ompl e t e l y， i t i s f e a s i b l e i n q u a l i t a t i ve a na l y s i s o f t he wor ki ng m e c ha ni s m o f c e m e nt s o i l mi x i ng pi l e s Be c a u s e t he m o de l i s e a s y t o o pe r a t e， t i m e s a vi