基于欧姆龙PLC控制的机械手

1、技术创新微计算机信息(嵌入式与S O C 2010年第26卷第9-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例博士论坛基于欧姆龙PLC 控制的机械手A machine hand controlled by Omron PLC(武汉大学叶先明李杭生Y E X i an-m i ng LI H ang-sheng摘要:本文采用欧姆龙公司的小型PLC 为控制器,制作了一款机械手模型,并通过梯形图程序实现了机械手的几种特定的运行状态。在设计过程中,采用复位开关作为机械手的位置传感器,简化了系统结构,降低了成本。本文还重点介绍了硬件制作过程和程序编写过程中遇到的难点和解决方案。该机械

2、手结构简单,程序灵活且实用性强。关键词:PLC;机械手;梯形图中图分类号:TN911.72文献标识码:AAbstract:In this article,a machine hand model was made with Omron s micro PLC.The machine hand has several running status according the ladder diagram.During the design stage,reset keys were used as the position sensor of the machine hand,which sim

3、 -plified the system structure and lowered cost.There are a crowd of difficulties in designing the hardware and software,the article fo -cus on how to solve these problems.The machine has a simple structure,flexible programs and high practicality.Key words:PLC;machine hand;ladder diagram文章编号:1008-05

4、70(201009-2-0014-021引言PLC(Programmable Logic Controller应用方便灵活、可靠性高,随着需求量的不断扩大,PLC 的价格也在不断降低,其应用也越来越广泛。本文采用Omron 公司的微型PLC,型号为C200Ha 作为控制器,设计了一款结构简单,实用性强且适用性广的机械手。1.1PLC 简介采用Omron 公司型号为C200Ha 的微型机,其主要技术特点如下:(1C200H PLC 系统为模块式结构。以CPU 单元为核心模块,外围电路包括电源模块、存储器模块、I/O 模块和通信模块等;这些模块通过标准总线SYSBUS 与CPU 单元连接,PLC

5、又通过串口线可与计算机相连,以实现程序的编写和调试。(2编程方式:主要是梯形图和语句表两种编程方式。由于梯形图结构简单,程序直观,现多采用梯形图编程。本文在PC 机上用CX-Programmer 编写梯形图,通过串口线将程序写入PLC 。(3I/O 系统:I/O 系统相当完善,开关量和模拟量输入;继电器、晶体管和晶闸管输出,接口简单,使用方便。本系统采用的I/O 模块分别为ID212模块和OC225模块,每个模块上包含8个开关点。1.2机械手简介图1机械手结构示意图机械手的外部结构,如图1所示。其中1为底座,底座上装有驱动电机,2为齿轮传动台,3和4均为螺杆,通过齿轮传动使4能够上下运动,并使

6、3以上的整个部分能够旋转,4的未端另有一个电机驱动螺杆以使机械手完成水平伸缩运动;图中3的上下两端和4的左右两端均装有限位开关,功能与常用的复位开关相似,即有外力接触时开关闭合,当作用力离开后开关又会复位处于断开状态。这样就可以限制机械手水平、上下、旋转的最大位置了,故称限位开关。图中5是机械手的抓取部分,通过螺杆4来带动,可沿水平方向张开和闭合,其中抓紧和松开主要是由机械手中间的限位开关来实现:当张开到一定的角度就会触动限位开关,PLC 会收到一个反馈的脉冲信号,然后PLC 就会停止机械手的张开;当机械手抓紧一个物品的时候也会触动另一个限位开关,PLC 也会停止机械手的闭合。由机械手的构成可

7、以看出在用PLC 控制时,程序的输出量主要是用来驱动电机的,而输入量则是限位开关的状态标志。2控制系统硬件结构控制系统合理地采用了限位开关,在控制部分,PLC 可以只用简单的IO 模块就可以实现机械手的上下运动、水平运动、旋转以及机械手的开合。控制系统的硬件结构图如图2所示。在计算机上用CX-Programmer 编写梯形图程序,然后通过串口线将程序下载到PLC 中,PLC 的输出模块控制电机的正反转,然后通过齿轮的传动实现机械手的四种运动状态。机械手上安装的位置开关可以限制各种运动的最大位移,通过PLC 的定时器功能就可以实现机械手运动到指定位置。图2控制系统结构图叶先明:硕士研究生14-邮

8、局订阅号:82-946360元/年技术创新 博士论坛P LC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注在设计PLC 硬件系统时,首先要考虑到与系统相关的输入与输出设备。要对本机械手进行控制,必需用到IO 模块,本系统选用了一个ID212作为输入模块。此外,要实现电机的正转和反转,有两种方案。图3a 通用H 桥图3b 开关转换延迟方案一:如图3a 所示,当S1和S2导通时电机正转,则当S3和S4导通时,由于电流方向变了,电机就会反转,这种是常见的H 桥驱动方式。但实际开关都会有一定的延时,这时如果电机从正转切换到反转,就会出现电源短路现象,也即图3b 所示的上下直通现象,此时电源就会短路,容易烧

9、坏电机或者电源。而且用这种方案要用到四个开关量通道,分为两组,形成两个独立的正极和两个独立的负极,这样就能做到使电机正反转了。这种方案在软件上是很好实现的。但这样就需要四个开关量模块,会增加硬件的成本。同时,模块多了,接线就很复杂,也增大了硬件故障概率。方案二:电机上只接一对线,用两个9V 的直流电源来驱动,当电机正转时,接通电源U1并使U2断开,而当要电机反转时,只要接通U2断开U1即可。这在硬件上是很好实现的,一个9V 直流电源的成本不高,而且大大减小了硬件接线的难度。经过试验,采用了方案二,需要用两个OC225模块。用这种方法,在电机正反转切换时,也可能会出现短暂的电源短接(当图4中触点

10、S1和触点S2同时闭合时,电源U1和U2就短路了,但只要在程序中加了互锁保护,使触点1和触点2不能同时闭合,就能避免短路现象。图4双电源驱动电机选择好了控制机械手所需的IO 模块,合理的分配好IO 点,接好线路,就可以进行梯形图编写了。本系统IO 分配如表1所示。表1系统IO 点分配3PLC 软件设计PLC 的程序执行是顺序进行的,机械手的初始状态很重要,因此程序开始要设定机械手的初始状态并设定机械手的运动轨迹。运动轨迹如图5的程序流程所示,机械手旋转的角度大小、上升、下降、前进、后退的位移大小都由PLC 中的定时器和限位开关来控制,限位开关起了传感器用。图5系统软件结构图3.1机械手的初始化

11、机械手在未使用或者断电重启的时候,考虑安全因素,应该会停在某个特定的状态。比如说垂直杆不应太高,手要关着,水平杆不应过度前伸(主要根据机械手的工作环境来确定。本机械手设定的初始态为手张开,水平杆收回,垂直杆处在最低处。PLC 执行程序采用的是顺序扫描式的,所以要根据不同的控制对象选择相应的初始状态,否则就会造成控制混乱。因此程序中设置了一个复位/运行开关,使用JMP 指令将其作为子程序。复位的瞬间,所有的PLC 触点就会断开,并运行初始化子程序。3.2机械手保护程序机械手开始工作后,程序在PLC 的控制下顺序运行,如果这时有误操作,有可能会造成运行混乱。在主程序中将与PLC 所有运行状态相关的

12、常闭触点串联起来,这样当PLC 运行时,控制开关就被屏蔽了,减小了误操作导致的程序故障。此外,为了防止电机电源短路,采用互锁程序使图4中的S1和S2不会同时闭合。当程序执行到最后一步时,可以加上一个开关点让程序循环执行,使机械手可以循环工作。4结论本文所介绍的机械手模型已经制作成功,编写的梯形图程序已经可以可靠实现该机械手各项功能。本课题是我校资助的一项基础性研发项目,只要经过简单的修改就可以将此机械手应用到多种领域,如将机械手的手爪改为容器,就可用于煤厂、米厂或沙厂的物品搬运,可大大减少人力并提高生产效率。本文作者创新点:采用PLC 驱动电机正反转时因采用双电源供电节省了IO 模块,并使用限

13、位开关代替传感器,在工程实用过程中降低了成本。参考文献1马永翔.可编程控制器在应用中的细节问题.电气开关,2001(4:p12-13.2刘美莲,滕旭辉等.基于PLC 的立体车库控制系统设计J.微计算机信息.2009,3-1:p42-43.3刘国光.提高PLC 控制系统可靠性的软件设计.机床电器,2002(3:p34-36.作者简介:叶先明(1985.3-,男,汉族,武汉,武汉大学动力与机械学院自动化系控制理论与控制工程专业,硕士研究生,主要从事自动控制与信号检测技术方面的研究;李杭生(1950.9-,男,汉族,武汉,武汉大学动力与机械学院自动化系,副教授,主要从事工业自动控制与信号检测技术方面

14、的研究。(下转第6页15-技术创新微计算机信息(嵌入式与S O C 2010年第26卷第9-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例机器人技术tion process YUV422data format images need to be converted to RGB888format images.One converting method using integer oper -ations is adopted to speed up capturing and transmitting.Figure 2Image Capture Workflow5Progr

15、am Testing and ExperimentsSome relevant tests are carried out in this paper after finish -ing hardware and software design.Test results show that the speed of image acquisition and network transmission can be up to 15frame/s when image is 320*240pixels.This speed can meet re -quirements of real-time

16、 image acquisition and display.Here is one image captured on the PC side.Figure 3Image captured on the PC side6ConclusionThis paper describes the image capturing method using image sensor instead of USB camera,and specifically describes the framework of Linux driver,implement of V4L interface and I2

17、C in -terface;also how to debug and set up the sensor registers for OV9650image sensor.Then the device driver and image capturing and transferring application are implemented on Intel PXA270ARM processor,and some related experiments are conducted with results showing that this image acquisition devi

18、ce can meet the need of general real-time image collection and transmission.Innovations of this paper are shown as the following:(1The development of the CMOS image device driver under Linux,and the driver implement on PXA270ARM processor with OV9650CMOS image sensor hardware platform are described

19、in detail.Compared with ARM processor plus USB camera image ac -quisition device,image acquisition speed is faster and the whole system is more compact-sized.(2DMA (direct memory accesshardware speed up method and the image sensor interface function of ARM processor are fullyused to improve speed an

20、d efficiency of image capturing.(3Image acquisition and network transmission application are developed to satisfy the requirements of real-time image ac -quisition and remote monitoring.References1Gong Tao.“FPGA-based image acquisition and processing sys -tem ”.Master s thesis,Huazhong University of

21、 Science and Tech -nology,2005.2Xing Dong,“Remote Embedded Monitor System Based on S3C2410”,Master's thesis,Jilin University,20073Wang Yong-qing,He Bo,Wang Qian,Guo Lei,”Getting image data with USB camera based on Linux and ARM920T ”,Microcom -puter Information,2007,1-2:P176-P1774Ni Ji -li,Linux

22、 kernel analysis and programming,Beijing -Electronic Industry Press,2005.95Translator:Wei Yong -ming,Geng Yue,Zhong Shu -yi,Linux device drivers (3rd edition,Beijing -China Electric Power Press,20066Shi Xiu-min Chen You-dong,Embedded system design and de -velopment experiment based on the Xscale pla

23、tform,Beijing -Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2006.97Chen Liang,Pei Hai-long,Wu Yue,Programming for the Cap -ture of Image on Video4Linux2,J,Microcomputer Information,2009,3-1:65-678Liu Miao,Embedded system interface design and Linux driver development,Beijing -Beijing University of Aeronautics and As -tronautics Press,20069OmniVision,OV9650datasheet Version 1.3,September 24,200410Sun Ji-kun Zhang Quan,Embedded Linux system development based on ARM,Beijing -People's Posts &Telecom Pres