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液压机械手设计及其控制研究机械论文

2018-12-11 11:04:38来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  摘要:机械手是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,机械手已在众多领域得到了应用。在我国,机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前,国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力,因此我们还需要不断提高研发水平。

  本课题所设计的液压机械手是在综合各方面因素及用户要求的基础上,完成总体方案的设计,主要使用Solid works软件进行三维结构设计。在总体设计方案的基础上,完成了液压系统的设计,制定出液压系统基本方案和绘制液压系统图。对机械手阀控系统的PID控制进行仿真分析,采用PLC和触摸屏的相结合的控制系统的设计。设计出液压机械手的手动、自动控制系统方案,并给出了系统的控制流程图;结合现场操作需要,设计出触摸屏控制界面;最后用仿真软件验证了设计的可行性。

  关键词:机械手;液压系统;PLC ; PID控制;触摸屏

  1 绪论

  1.1 选题背景

  随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产:尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、银、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。

  1.2 选题的目的与意义

  在现实生活中,机器人并不是在简单意义上代替人的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说,机器人是机器进化过程的产物,是工业以及非产业界的重要生产服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。本课题主要研究如何利用机械手的操作来完成清理工作的任务。该机械手具有力量大、速度快、工作不受环境影响和智能性等优点。

  1.3 国内外研究现状

  1.3.1 机械手国内外研究现状

  目前,国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA, CLOOS,瑞典的ABB、意大利的DALMEC及奥地利的GM公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。

  在我国,机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前,国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,对我国工业自动化的提高迫在眉睫,政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持,将会给机械手产业发展注入新的动力。

  1.3.2 机械手的发展趋势

  随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高,机械手己在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年,传感技术,激光技术,工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域,这些技术会使机械手的应用更为高效,高质,运行成本低。据猜测,今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用:

  ①工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

  ②机械结构向模块化、可重构化发展。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市。

  ③工业机器人控制系统向基于PC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,控制柜日见小巧,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,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等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配置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、预演发展到用于过程控制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。

  ⑥当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是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。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

  ⑦机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置己成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

  1.3.3 小结

  从机械手国内外的研究现状和发展趋势看,机械手将朝着智能化方向发展,如位置发生稍些偏差时即能更正,并自行检测。重点是研究“感觉”功能,将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。

  如何提高机械手的工作性能、优化系统结构、降低制造成本,是我们面临的新课题。本文详细地设计了液压驱动系统,对整个控制过程进行了软件程序编制和人机交互系统的设计。

  1.4 研究内容

  根据国内外机械手的研究现状及存在问题,本研究将重点研究以下内容:

  (1)在综合各方面因素及用户要求的基础上,完成总体方案的设计;

  (2)在总体设计方案的基础上,完成液压系统的设计;

  (3)采用PLC和触摸屏的相结合的控制系统的设计;

  (4)结合现场操作需要,设计出触摸屏控制界面,用仿真软件验证设计的可行性。

  1.5 研究思路与论文结构

  本研究的研究路线如图1-1所示。

  图1-1 研究路线图

  根据以上研究思路,本论文共分为六章。

  第一章简要介绍选题背景、选题目的和意义、国内外的研究现状、论文的研究思路和方法。第二章,机械手的总体设计,包括设计依据及结构设计。第三章,液压系统设计,包括液压系统图、元件及装置的选择。第四章,控制系统研究与设计,包括控制硬件结构介绍、PLC和模块配置、系统软件设计。第五章,机械手阀控系统PID控制,对液压控制系统进行仿真分析,并结合现场操作需要,设计出触摸屏控制界面。第六章对全文做了总结,并提出了本论文有待进一步研究的问题。

  2 机械手总体设计

  2.1 设计依据

  2.1.1 设计要求

  (1)被抓取对象的情况就是被抓物件的重量、形状、尺寸、材料、表面加工情况易碎性及数量等,以便选挥手部的结构及计算必要的夹紧力或吸附力大小;

  (2)工作现场的情况机械手所附属于工作主机或自动线的工作场地面积和空间大小,工作主机的排列情况等,决定着机械手的安装情况。如场地允许可选择地面固定式;若因场地面积窄小或其它原因不宜把机械手固定在地面,则可采用悬挂式或固定在工作主机机身上某适当位置;若利用一台机械手进行多机床管理,则可选择悬挂轨道式或地面轨道式;

  (3)上、下料道和储科装置与工作主机的配置情况上、下科道和储料装置与工作主机的相对位置,决定了工件在上料前和下科后在空间所处的位置和姿势,这直接影响手臂的座标型式;

  (4)生产工艺和工作机械对机械手的要求由于产品生产工艺过程的不同和工作机械的不同生产特点,影响机械手的自由度、运动轨迹、运动速度和定位精度的确定,因此必需对生产工艺要进行分机,比较工艺的先进性和稳定性,最后按先进的工艺,设计必要的机械手,以完成辅助工作;

  (5)工作环境及其它特殊要求如在高温环境工作的机械手,由于有热的传导和辐射问题,手部要采取冷却与隔热措施;在有粉尘的环境工作的机械手,应加伤护罩及密封装置;在有腐蚀性的环境里工作的机械手,应选择耐酸或耐碱的材料或涂敷耐酸、碱的橡胶。

  2.1.2 传动方案的设计

  确定传动方案的主要内容有两个:一是确定机械手的驱动方式,本课题选用液压驱动方式;二是确定运动路线(即运动轨迹)。专用机械手要实现设计所需的动作要求,例如把工件从一个位置传送到另一位置,往往可有好几个运动路线,需要通过分析比较最后确定一个路线最短、动作较少的方案。考虑运动路线时,一般可参照人的手臂和手腕的动作进行模拟类比,较直观的拟订初步方案,同时参照手臂座标型式来进行方案比较。

  总之,在确定运动路线时,主要根据动作要求,并结合其它设计要求进行全面分析比较,使手臂、手腕、手指分工配合协同动作,达到运动路线既短,结构又简单紧凑合理可靠。

  1一表示垂直升降运动 2一表示水平伸缩运动

  3一表示回转运动 4一表示手指

  图2-1 第一种方案(机械手运动简图)

  图2-2 第二种方案

  本课题所设计的机械手需要完成的动作:从锡水池中将杂物捞出,然后将杂物运送到指定的位置。由于在工业现场受环境空间和温度的影响,所以本机械手有两种传动路线可以选择。一种是选用直角坐标型式的机械手,如图2-1所示。另一种选择是选用圆柱座标型式,如图2-2所示。

  比较两种方案,第二种方案比第一种方案少一个自由度,但是也能满足工业现场的需要。机械手自由度越多,对设计来说就越困难,在同样能满足生产需要的情况下,选择第二种传动方案。

  2.1.3 基本参数的确定

  (1)抓重(即臂力)

  抓重系指机械手所能搬运物件的重量。抓重可根据被抓取物件的重量并考虑适当的安全系数来作决定。考虑到手臂结构强度等因素,通常安全系数K可在2-3范围内选用。

  本课题安全系数K=2,抓重为20Kg。

  (2)自由度、工作行程或转角

  综合考虑到本机械手的应用场合,该机械手选用三个自由度,即手臂的回转,机座的回转和手腕的回转。

  (3)工作速度

  在各个分解运动的最大行程确定后,便可根据动作节拍确定各动作时间的分配,从而确定各动作的工作速度。

  (4)定位精度

  机械手的定位精度依服务的场合和生产的工艺要求的不同,其数值是不同的,设计机械手时,应力求保证各种不同的加工工艺对定位精度的要求。

  2.2 手部结构的设计

  手部设计的要求:

  ①手部应有足够的夹紧力。除工件的重力外,还要能不使工件在传送过程中松动或脱落;

  ②夹持范围要与工件相适应。手爪的开闭角度(手爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度)应能适应夹紧较大的直径范围;

  ③夹持精度要高。既要求工件在手爪内定位准确,又不夹坏工件表面。一般需根据工件的形状选择相应的手爪结构:如圆住形工件应采用带V形槽的手爪来定位,对于工件表面光洁度较高的,应在手爪上镶铜、央布胶木或其他软质垫片等;

  ④夹持动作要迅速、灵活;

  ⑤手部结构要简单紧凑、刚性好、自重轻、易磨损处应便于更换,在腕部或臀部上安装要方便,更换要迅速。

  考虑到现场人工使用的捞取杂质的所使用的物件,由于手部属于捞取杂物的物件,满足工作的需要就行,所以拟设计手部如图2-3所示。

  图2-3 手部结构

  2.3 臂部结构设计

  臂部设计的基本要求:

  ①臀部应承载能力大、刚度好、自重轻。臀部通常既受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲),也受扭转,应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。通常选取钢管作为设计臂部的材料。

  ②臂部运动速度要高,惯性要小。机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平,一般根据生产节拍的要求来决定。确定了生产节拍和行程范围,就确定了手臂的运行速度(或角速度)。在一般情况下,手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动(v和为常数),但在手臂的起动和终止瞬间,运动是变化的,为了减少冲击,要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大,否则引起冲击和振动。

  ③手臂动作要灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手,其传动件、导向件和定位件布置应合理,使手臂运动过程尽可能平衡,以减少对升降支承轴线的偏心力矩,特别要防止发生“卡死”的现象(自锁现象)。

  ④位置精度要高。一般来说,直角和圆柱座标式机械手位置精度较高;关节式机械手的位置最难控制,故精度差;在手臂土加定位装置和检测机构,能较好地控制位置精度,检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。

  除此之外,要求机械手通用性好,能适合多种作业的要求:工艺性好,便于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。

  根据设计要求,拟定臂部结构如图2-4所示。

  图2-4 臂部结构

  2.4 机座结构设计

  机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动部件都安装在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的,也可以是行走的,即可以沿地面或架空轨道运动。

  根据设计要求,机座结构如图2-5所示。

  图2-5 机座结构

  2.5 总体结构设计

  总体设计结构如图2-6所示。

  图2-6 机械手总体结构

  3 液压系统设计

  3.1 液压系统图

  如图3-1为本课题液压系统原理图。

  a,b,c—液压缸 1,3—一位四通电磁阀

  2—比例方向阀 4, 6—单向阀 5溢流阀

  图3-1 液压系统原理图

  机械手的动作顺序为:机械手停在原始位置~手臂回转(捞取杂物)~机座回转(将所捞取杂物送到预定位置)-手腕反转(将杂物倒下)-机座反转-手臂反转-手腕回转-机械手回到原始位置,机械手的一个循环动作结束。机械手的动作顺序可由电磁铁的通、断电顺序及比例电磁铁来控制。

  3.2 液压元件的选择

  3.2.1 液压阀的选择

  (1)比例阀的确定

  综合各方面因素进行阀的规格选择。本文选用ATOS公司的电磁比例换向阀,型号为DHZO-T-PS-071-L3/I。

  与比例阀配套的放大器,由生产厂家提供,比例放大器的型号为E-ME-T OSH,输入信号范围为±10V。

  根据液压缸b行程,选取位移传感器型号为GT2M0200MH021VO,行程为200mm输出信号0-+10V。

  (2)普通阀的确定

  选择方向阀主要根据通过阀的最大流量和最大工作压力,以及所要求的滑阀机能状况等因素,结合现有的产品规格,选择其额定流量和额定压力相近的产品。必要时最大流量允许超过额定流量,但不宜过大,一般规定阀的最大通过量不应超过额定流量的20%;对于溢流阀的压力和流量,一般要与油泵的最高工作压力和最大流量相适应。

  表3-1 液压阀明细表

  3.2.2 液压泵的选择

  (1)确定液压泵的最大工作压力:

  (3-1)

  是液压系统供油压力;是液压泵到执行元件间总的管路损失。由系统图可知,从泵到液压缸b之间串联有一个单向阀和一个换向阀,取= 0.5MPa。

  液压泵工作压力为:

  =(3+0.5)MPa=3.5MPa

  (2)确定液压泵的流量:

  选用四平液压件厂CB-CI8C-FL型齿轮泵,排量为18ml/r,额定转速为1800r/min。

  3.2.3 电动机功率的确定

  按整个工作循环过程中所需的最大功率确定电动机功率,取泵的总效率 =O.6。

  查产品样本,选用2.2 kW的电动机。

  3.2.4 液压缸的选择

  根据系统压力和缸径选择液压缸。

  表3-2 液压缸型号

  4 控制系统设计

  4.1 控制系统分析

  4.1.1 控制系统特点

  本课题研究的机械手的控制特点:

  (1)自由度少。本机械手只有三个自由度,都是由液压系统进行控制。

  (2)任务简单。本机械手的工作任务是捞取杂物,并按要求进行点位运动,无需进行复杂的轨迹运算、坐标变换以及矩阵函数的逆运算等。

  (3)变量少,数学模型简单。只需要进行简单的机械自适应,无需实用前馈、补偿、解耦等复杂控制技术。

  4.1.2 控制系统功能

  本课题控制系统主要是实现以下几个控制功能:

  (1)液压控制功能。整个机械手的运动动作均由液压控制,以实现该机械手需完成的功能。

  (2)人机交互功能。该功能主要是指触摸屏的显示和操作控制,实现人机的交互功能。

  (3)系统监控和故障诊断功能。机械手在运动过程中,往往需要操作人员方便地参与系统的监视与控制,例如,中断程序运行、从断点处重新启动、以及了解系统所处的状态。同时,机械手还具有对必要的故障进行判断、显现和处理的能力。

  4.2 控制系统硬件结构

  机器人控制系统的硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选用。以控制器的核心计算机的分布方式来看,机器人控制系统硬件结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。本机械手主要采用主从控制方式进行控制。

  4.2.1 核心控制器

  表4-1 控制器的特点比较

  在核心控制器的选择上可以有多种方案,目前在机电一体化设计中主要有三种:单片机、工业控制计算机、可编程控制器(PLC)。随着计算机系统的不断发展,也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。本文只对常见的三种控制器进行比较。其特点见表。考虑到工业现场的环境恶劣、控制功能简单,经过各方面的比较分析,本课题选用西门子PLC作为控制器,来实现整个机械手的控制功能。

  4.2.2 开关元件

  为了提高系统的可靠性和动作执行的准确性,使机械手在工作过程中实现自动或手动运行及运行的安全可靠,选择LXP 1(3 SE 3)0501 D行程开关给相应的电磁阀传递通、断信息。

  4.2.3 控制系统的总体设计方案

  根据系统要求,为使机械手完成各个动作要求,确定了选用目前企业上应用较多的德国SIEMENS公司的57-300型PLC作为系统控制核心的设计方案。其总体结构框图如图4-1所示。

  图4-1 系统结构框图

  在系统结构框图中,计算机、触摸屏和液压是系统的核心。计算机通过USB与PLC进行通讯,实现对PLC的编程和在线修改。所有控制开关在触摸屏内模拟,简化了控制电路,同时节约了PLC输入点。PLC实现机械手自动运行控制和工作状态的切换。电磁阀通过PLC来控制其吸合,实现机械手执行部件的换向。检测主要有限位开关组成,其作用是对机械手的行程进行判断和检测。

  4.3 控制面板

  根据机械手工作的特点和控制要求,机械手的控制按钮和指示灯分布见第五章。

  (1)启动按钮

  当系统得电后,按下启动按钮,机械手开始按照指令进行工作。

  (2)停止按钮

  按下停止按钮,机械手停止工作。

  (3)自动按钮

  当按下启动按钮后,按下自动按钮,机械手按照指令进行循环动作。

  (4)手动按钮

  为单步动作进行准备,只有按下手动按钮,单步动作才有效。

  (5)回原点按钮当系统安装完成或故障排除后,需要将机械手返回到工作原点时,按动此按钮。

  4.4 PLC的选型和输入输出模块、电源模块的配置

  在确定PLC系统配置时,必须首先确定PLC型号。户外型CPU的主要特点是防护等级高,允许在-25℃ +70℃的恶劣环境下使用。本系统选用CPU 312 IFM,集成的数字量I/O,用于小系统,具有特殊功能的输入,适用于恶劣环境下。

  数字量输入模块(C SM321)有4种型号可供选择,即直流16点输入模块、直流32点输入模块、交流16点输入模块、交流8点输入模块。输入模块选用SM321; DI16X 24V。数字量输出模块(( SM322 )有多种型号可供选择,常用的模块有8点晶体管输出、16点晶体管输出、32点晶体管输出、8点晶闸管输出、16点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出。输出模块选用SM322;DO 16×24V/2A。

  图4-2 PLC硬件配置图

  PS307电源模块将120/230V交流电压转化为所需要的24V直流工作电压,输出电流为2A、5A或10A,转换的24V直流电源为S7-300以及执行元件供电,适用于大多数应用场合下。 PS307电源模块的输入和输出之间有可靠的隔离,输出正常电压为24V时,绿色LED亮;输出过载时,LED闪烁;输出过电流时,电压跌落,跌落后自动恢复;输出短路时输出电压消失,短路故障排除后电压自动恢复。本系统选用PS307(2A)电源模块。

  根据系统要求和工艺流程创建PLC的硬件配置图,如图4-2所示。

  4.5 系统软件的设计与实现

  4.5.1 系统的工作方式

  该机械手的工作方式有三种,分别为自动、手动、找原点。自动方式是机械手接收生产线指令,通过总控制台的控制进行生产作业。手动主要用于总控制台出现故障、调试或其它需要手动操作。找原点主要是用于在工作开始前或故障排除后,要将机械手的各个部位移动至原位,同时也是各部件运动的基准。设定机械手在准备回转捞取杂物时的位置为原点位置。

  4.5.2 PLC程序设计

  (1)PLC程序设计软件STEP7简介

  STEP7编程软件适用于SIMATIC S7、C7和M7,是提供编程、监控和参数设置的标准工具。STEP7软件不仅仅是一个编程软件,它还可以对PLC的硬件进行组态,根据需要选择更能满足要求的硬件配置。用户可以在STEP?软件中对电源模块、CPU模块、输入输出模块等进行配置。除此之外,STEP7软件还具有网络组态的能力。提供了MPI、PROFIBUS、AS-i等形式的子网络,用户可以运用这些子网络组建成一个复杂的网络体系,以解决规模庞大的问题。STEP7软件还可以和S7-PLCSIM软件结合使用,进行仿真模拟,对编写的程序进行调试、对硬件配置进行诊断等,从而避免硬件组态错误带来的损失。在STEP?软件中,通过建立项目来管理用户信息,在项目中用户可以根据需要插入多个不同的S7-300或S7-400站点,具体每一个站点中,用户可以建立多个块,对程序进行模块化管理,使程序的结构更清晰。

  (2)顺序功能图

  顺序功能图是一种位于其他编程语言之上的图形语言,用来编制顺序控制程序,它提供了一种组织程序的图形方法,在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件(见图4-3 )。可以用顺序功能图来描述系统的功能,根据它可以很容易地画出梯形图程序。

  图4-3 顺序功能图

  ①步

  步是顺序控制流程图最基本的组成部分,是在某一控制条件下为完成特定动作而设计的程序段,即某一段被执行的入口地址及控制条件的调用地址。

  ②转换

  步与步之间的变换称之为转换。转换一般作为步执行的条件使用,这些条件包括实际中的行程开关、接触开关、时间继电器和计数器的触点,以及继电器的一些状态位。

  ③动作

  动作即控制程序要完成的动作。

  编制本系统的顺序功能图如图4-4所示。

  (3)PLC梯形图设计

  机械手的控制程序分为主程序和子程序,开关的输入采用触摸屏,从而实现人机的交互。采用STEP?编程软件进行程序梯形图的编制。现介绍本设计需要的PLC常用的几个命令。

  (4)主控继电器MCR指令

  MCR用来打开或关闭一个区域,区域内部包含一个或多个梯形图,并且在其中还可以调用块功能,进而通过控制区域是否处于工作状态来决定这段程序执行与否。

  MCR存在于接触控制系统中,当它关闭一个区域时,这个区域内所有非保持性接触全部断开,所有保持性接触依然保持。

  本系统的控制程序如图4-5所示,回原点程序用来执行机械手的回零动作,手动程序用来控制机械手的单步动作,通过控制面板上的按钮进行状态的选取。自动程序用于控制机械手的连续循环动作。

  图4-4 机械手顺序功能图

  图4-5 梯形图结构

  4.6 S7-PLCS I M软件简介

  随着计算机技术的发展,仿真技术得到了广泛的运用。在PLC控制中,用户编写的PLC程序在运用到具体的控制之前,需要进行仿真模拟,检测控制程序能否满足控制要求,以便及时改正错误,避免对设备造成损坏。S7-PLCSIM软件可以模拟西门子产品,利用它可以对PLC程序进行离线仿真与调试等操作。

  S7-PLCSIM是一个功能非常强大的仿真软件,它与STEP?编程软件集成在一起,可以在计算机上对57-300/400的用户程序进行离线仿真与调试,而不需要连接任何PLC的硬件

  概括起来S7-PLCSIM软件具有以下一些功能。

  ①模拟实际PLC的寄存器:S7-PLCSIM可以模拟实际PLC的定时器、计数器、M寄存器、I/O寄存器、FB/FC块等物理的寄存器。

  ②对实际PLC进行硬件检测:PLC只有在确保正确的硬件配置及连接后,刁一能正确地运行,尤其对于S7-3 00/400PLC,它们的硬件采用组态的形式,更需要验证是否配置正确。

  ③对变量进行监控:S7-PLCSIM可以监控变量在程序运行过程中的状态、值的变化,进而判断程序的正确性。

  ④对程序进行调试:通过模拟程序的执行过程,借助监控变量信息的反馈,用户可以通过S7-PLCSIM对程序进行调试,此外,还可以通过设置断点的方式对程序进行一段一段的调试。

  5 PID控制仿真分析与人机交互界面

  5.1 PID控制概述

  PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一。在过去的几十年里,PID控制,也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天,在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构,而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。

  PID控制器具有一下优点:

  (1)原理简单,使用方便。PID参数、和可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化,如对负载变化引起的系统动态特性变化,PID参数就可以重新进行调整与设定。

  (2)适应性强。按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化,即使目前最新式的过程控制计算机,其最基本控制功能也仍然是PID控制。PID应用范围广,虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过适当简化,可以将其编程基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样就可以通过PID控制了。

  (3)鲁棒性强,即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。

  但是,PID也有其固有的缺点。PID在控制非线性、时变、藕合及参数和结构不确定的复杂过程时,效果不是太好。

  5.1.1 PID控制原理

  在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图5-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

  图5-1 PID控制系统原理框图

  PID控制器是一种线性控制器,设定值r(r)与实际输出值y(r)相比较,得到控制偏差:

  (5-1)

  将偏差的比例(P)、积分((I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。其控制规律为:

  (5-2)

  5.1.2 PID控制器各校正环节对系统性能的影响

  PID的控制效果的好坏在很大程度上取决于系统的参数的整定,即控制器参数的选择。PID控制器各校正环节的作用如下:

  (1)比例环节对系统性能的影响

  比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。比例系数KP增大,可以加快系统响应速度,减小系数稳态误差,提高控制精度。但过大会产生较大超调,甚至导致不稳定;若取得过小,能使系统减少超调量,稳态裕度增大,但是会降低系统的调节精度,使过渡过程时间延长。

  根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作的经验,通常在控制的初始阶段,适当把K,放在较小的档次,以减小各物理量初始变化的冲击;在控制过程中期,适当地加大,以提高快速性和动态精度,而到过渡过程的后期,为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性,又将K,调小。

  (2)积分环节对系统性能的影响

  积分环节可提高系统的抗干扰能力,主要用于消除静差,提高系统的无差度,适用于有自平衡性的系统。但是它存在滞后现象,使系统的响应速度变慢,超调量变大,并可能产生振荡。积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越小,反之则越强。加大积分系数有利于减小系统静差,但过强的积分作用会使超调加剧,甚至引起振荡;减小积分系数,虽然有利于系统稳定,避免振荡,减小超调量,但又对系统消除静差不利。

  通常在调节过程的初期阶段,为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调量,积分作用应弱些而取较小值;在响应过程的中期,为避免对动态稳定性造成影响,积分作用应适中;在响应过程后期,应以较大的值减小系统静差,提高调节精度。

  (3)微分环节对系统性能的影响

  微分环节反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间,改善了系统的动态性能。缺点是抗干扰能力差。TD的值对响应过程影响非常大。若增加微分作用,有利于加快系统响应,使超调量减小,增加稳定性,但也会带来扰动敏感,抑制外干扰能力减弱。若TD过大则会使响应过程过分提前制动而延长调节时间;反之,TD过小,调节过程的减速就会滞后,超调量增加,系统响应变慢,稳定性变差。因此,对于时变且不确定系统,TD不应取定值,应随被控对象时间常数随机变化。

  5.2 基于DSH plus的PID控制仿真分析

  DSH plus源自国际流体动力学会(IFAS),是全球著名的流体传动与控制系统仿真软件。DSH plus采用面向对象的图形化变成方法,通过搭建图形化的液压系统原理图,可以方便地对液压控制系统进行各种分析,并可以与物理硬件进行连接,实现实时仿真。DSH plus在图表建模的基础上,重点描述系统的功能单元(模拟重要因素)。元件库中包括液压、气动、控制和机械零件。

  图5-2 液压控制系统仿真图

  在液压与气动传动技术领域中,由于考虑了各种非线性环节,仿真结果与试验曲线一致性较好。随着其专业程序及数据库的不断扩充,输入、输出系统的不断完善,使得该软件适用范围和适用效率不断提高,成为液压传动及控制系统动态特性预测及参数优化的理想手段。DSH plus通过建立图形化的液压仿真图,仿真效率较高,并在仿真中考虑了液压元件和系统的许多非线性因素,仿真结果更符合系统的实际情况。

  本文采用经验试凑法进行参数整定。基于DSH plus的PID控制液压系统仿真如图5-2所示。

  (1)输入阶跃信号幅值为0.1 m/s ,微分时间得到系统反应快、对PID参数进行整定:反复调整比例系数、积分时间、超调小的响应曲线,如图5-3所示。

  图5-3 系统PID控制时的阶跃响应曲线

  从系统PID控制时的阶跃响应曲线可以看出,系统的过渡过程时间为0.054s超调量为0.01242m/s,满足系统的要求。

  (2)输入正弦信号,幅值为0.1 m/s,频率为O.5HZ,对PID参数进行整定,得到图5.3所示曲线。

  从图中可以看出,系统的响应信号几乎和输入信号重合,系统的稳态误差特别小,可以忽略不计。

  (3)建立如图5-5所示的液压系统仿真图,该系统是用普通电磁换向阀控制液压缸的运动,得到液压缸活塞杆运动速度曲线如图5-5所示。

  由图5-5表明,系统的冲击非常大,尤其是在换向阀换向的时候,活塞杆的减速度发生突变,系统受到的冲击最大。在比例阀控制系统中,活塞杆的速度可以控制,当输入正弦曲线的信号时,活塞杆的速度曲线趋近于正弦曲线,此时的加速度不会发生突变,相比较普通换向阀控制系统冲击明显减小。

  图5-4 液压系统仿真图

  图5-5 活塞杆的运动速度曲线

  5.3 人机界面概述

  5.3.1 人机界面的基本概念

  PLC是一种以微处理器为基础的通用工业自动控制装置,它综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术,具有体积小、功能强、程序设计简单、可靠性高等优点,特别适于在恶劣的工业环境中使用,被称为现代工业自动化的支柱之一。人机界面装置是操作员与PLC之间进行沟通的一个桥梁,很多工业被控对象要求控制系统具有很强的人机界面功能,用来实现操作员与计算机控制系统之间的对话和相互作用。人机界面装置用来显示PLC的I/O状态和各种系统信息,接收操作人员发出的各种命令和设置参数,并将他们传送到PLC。人机界面是按工业现场环境应用来设计的,正面的防护等级为IP65,背面的防护等级为IP20,坚固耐用,是PLC的最佳搭档。

  5.3.2 人机界面的分类

  (1)文本显示器

  文本显示器(TD)是一种廉价的单色操作员界面,一般只能显示几行数字、字母、符号和文字。可以用S7-200的编程软件STEP7-Micro/Win中的文本显示向导为TD组态。只需要进行一些简单的设置,就可以用他们来显示文本和动态信息。

  (2)操作员面板

  西门子的操作员面板(Operator Panel)简称为OP,它使用液晶显示器和薄膜按键,有的操作员面板的按键多达数十个。操作员面板的面积达,直观性较差。

  (3)触摸屏

  西门子的触摸面板(Touch Panel)简称为TP,一般俗称为触摸屏,触摸屏是人机界面的发展方向。可以由用户在触摸屏的画面上设置具有明确意义和提示信息的触摸式按键。触摸屏的面积小,使用直观方便。

  触摸屏可以用画面上的按钮和指示灯等来代替相应的硬件元件,以减少PLC需要的I/O点数,使机器的配线标准化、简单化,降低了系统的成本。只要用手指触摸屏幕上的图形对象,计算机便会执行相应的操作。

  5.3.3 触摸屏的选型

  本系统选用目前工业系统中常用的触摸屏为TP277-6。

  5.4 触摸屏组态软件Win CC flexible简介

  西门子的人机界面过去用的是Pro Tool组态软件,SIMATIC Win CC flexible是在被广泛认可的Pro Tool组态软件的基础上发展起来的,并且与Pro Tool保持了一致性。

  Win CC flexible综合了Win CC的开放性和可扩展性,以及Pro Tool的易用性。Win CC flexible提出了新的设备级自动化概念,可以显著地提高组态效率。它可以为所有基于Windows CE的SIMATIC HMI设备组态,从最小的微型面板到最高档的多功能面板,还可以对西门子的C7系列产品组态。

  Win CC flexible简单、高效,易于上手,功能强大,提供智能化的工具。在创建工程时,通过点击鼠标便可以生成HMI项目的基本结构。基于表格的编辑器简化了对象的生成和编辑。通过图形化配置,简化了复杂的配置任务。Win CC flexible具有开放简易的扩展功能,带有Visual Basic脚本功能,集成了Active X控件,可以将人机界面集成到TCPIIP网络。Win CC flexible带有丰富的图库,提供大量的对象供用户使用,其缩放比例和动态性能都是可变的。使用图库中的元件,可以快速方便地生成各种美观的画面。

  5.5 Win CC flexible与STEP 7的集成

  5.5.1 集成原理

  (1)集成的优点

  在没有HMI设备和PLC的硬件的条件下,可以将Win CC flexible的项目集成在STEP 7中,用Win CC flexible的运行系统来模拟HMI设备,用57-300/400的仿真软件S7-PLCSIM来模拟与HMI设备连接的57-300/400 PLC。HMI和PLC的项目集成在一起,同时还可以模拟HMI设备和PLC之间的通信和数据交换。虽然没有HMI和PLC的硬件设备,只有计算机也能很好地模拟真实的HMI和PLC设备组成的实际的控制系统的功能。模拟系统与硬件系统的功能基本上相同。

  (2)集成的方法

  有两种集成的方法:

  ①创建一个独立的Win CC flexible项目,以后再将它集成到STEP 7中。

  ②通过在STEP 7的SIMATIC管理器中创建一个HMI站点,创建集成在STEP 7中的Win CC flexible项目。

  5.5.2 STEP 7与Win CC flexible项目的连接

  (1)在SIMATIC管理器中创建HMI站

  在STEP 7中建立一个S7_ro3的新项目,然后在S7_ro3项目中生成HMI站对象,如图5-6所示。

  图5-6 STEP 7中集成的HMI站

  (2)在Net Pro中建立连接

  在STEP 7的项目中建立了HMI站点后,为了实现PLC和HMI设备之间的自动数据交换,使用STEP 7集成的网络组态工具Net Pro建立它们之间的连接。

  图5-7 用Net Pro组态MPI网络

  5.5.3 在Win CC flexible中使用STEP 7中的变量

  (1)建立连接

  在Win CC flexible中打开“通讯”文件夹中的“连接”选项,将会打开Win CC flexible中的连接编辑器,如图5-8所示。

  图5-8 连接编辑器

  (2)用变量编辑器组态变量

  为了方便程序设计和阅读,用符号表定义变量的符号地址,符号表列出了符号地址和对应的绝对地址,图5-9是本项目的符号表。在集成的项目中,可以很容易地将STEP 7项目中的符号地址转移到Win CC flexible的变量表中,如图5-10所示。

  图5-9 符号表

  图5-10 变量编辑器

  (3)组态画面

  根据机械手的控制系统与操作要求,触摸屏的控制画面分为主界面、控制界面、监视界面等四个人机交互界面。

  图5-11 主画面

  图5-12 手动画面

  图5-13 自动画面

  图5-14 监视画面

  5.6 用Win CC flexible和PLCSIM模拟控制系统

  (1)S7-PLCSIM

  PLCSIM用视图对象模拟实际PLC的输入/输出信号,用它来产生PLC的输入信号,通过它来观察PLC的输出信号和内部元件的变化情况,检查下载的用户程序是否能正确地执行。

  在STEP 7的SIMATIC管理器中,打开PLCSIM,如图5.10所示的S7-PLCSIM窗口,窗口中自动出现CPU视图对象。与此同时,自动建立了STEP 7与PLCSIM模拟的仿真CPU的连接。将 PLC程序下载至仿真PLC中。

  图5-15 PLCSIM的窗口

  (2)在线模拟调试

  点击CPU视图对象中的RUN复选框,CPU进入RUN模式。在Win CC flexible中,点击工具栏中的启动运行系统按钮,启动运行系统,开始在线模拟。根据机械手系统的控制和操作要求,分别进行模拟操作,通过观察有关输出变量的状态来监视程序运行的结果。

  5 结论

  经过查阅大量的相关资料和技术文件,在对国内外相关产品消化吸收和认真分析的基础上,设计了液压机械手。本文首先在机械结构上进行了设计,并在此基础上进行了液压系统的设计。根据工业现场的实际操作,设计了一套PLC及触摸屏控制系统,并对PLC控制进行了仿真分析,最后对PID阀控缸系统进行了仿真分析,得出以下结论。

  (1)通过PLC仿真软件和触摸屏仿真系统分析可知控制器能实现对机械手的回原点、自动、手动等操作。

  (2)通过DSH plus仿真软件分析可知,系统的阶跃响应时间为0.054s,与普通阀控制系统相比,响应时间明显缩短;运行过程中系统所受到的冲击减小;速度可以调节控制以达到预期的控制目的。

  虽然本文设计出了液压机械手的结构、控制系统,但由于时间、实验条件和本人能力有限,课题需要进行更深入的研究。本课题在以下方面还需做进一步研究和完善:

  (1)在对机械手的结构进行设计时,由于本人的能力有限,没有完成对机械手结构的优化设计,这需要在今后的研究中进一步完善。

  (2)液压系统方面,液压辅件和管件等没有给出具体的设计及选用细则,需要在今后的研究中进一步完善。

  (3)PID参数有待在工业现场进一步调试。

  (4)本文仅对控制系统进行了模拟仿真,缺乏工业现场的实际操作控制,由于现场情况千变万化,所以,本文的控制系统有待进一步改进。

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