基于PLC气动控制系统的采摘机器人设计,机械工程论文.docx

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1、基于PLC气动控制系统的采摘机器人设计,机械工程论文摘 要： 为了提高采摘机械手的作业效率, 采用PLC气动控制系统对机械手进行了设计, 并利用组态软件MCGS设计了机械手的监测与控制系统, 为机械手的构造优化和作业情况监测提供了较为直观和准确的状态数据。为了验证该方案的可行性, 对PLC气动控制系统的采摘机械手果实抓取性能进行了测试, 利用MCGS组态软件监测系统对数据进行了统计。测试结果表示清楚:采用PLC控制的气动采摘机械手具有较高的控制精度, 且动作速度快, 能够知足快速控制的设计需求, MCGS监测系统可成功地对机械手的状态数据进行统计, 为机械手的设计和构造优化及作业状态的监测提供

2、了直观准确的状态数据。 本文关键词语： 采摘机械手; PLC控制; MCGS系统; 组态软件; 采摘性能; Abstract： In order to improve the operation efficiency of picking manipulator, pneumatic control system and the design of manipulator with PLC gas, and the design of monitoring and control system of the manipulator using the configuration softwar

3、e MCGS, it provides a more intuitive and accurate data for the manipulator structure optimization and operation monitoring. In order to verify the feasibility of the scheme, the performance of fruit grabbing, it tested the PLC pneumatic control system, and the data was statistically analyzed by MCGS

4、 configuration software monitoring system. The test results indicated that the PLC is used to control the pneumatic manipulator has high control precision, and fast action, which can meet the design requirements of the rapid control of the manipulator. The state data of MCGS monitoring system can be

5、 successfully carried out statistics, which provides state data accurately for optimizing design and structure of the manipulator and monitoring the status of the operation. Keyword： picking manipulator; PLC control; MCGS system; configuration software; picking performance; 0、 引言 随着计算机技术的飞速发展, PLC (

6、可编程逻辑编程器) 已经进入日常生产、生活的各个方面, PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。PLC作为通用的工业计算机, 其功能日益强大, 已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC从诞生至今固然时间不长, 但是得到了异常迅猛的发展, 并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为现代工业自动化的三大支柱。采摘机械手是作物采摘机器人的执行末端, 为了得到较高的采摘效率, 往往在执行末端采用液压控制系统, 本次拟采用PLC气动控制系统设计采摘机器人, 并采用MCGS系统对机械手的作业状态进行监测, 以到达快速准确的采摘效果。 1、 PLC和MCGS在机械手控制系统中应用 机械手是自动控制领域最

7、常碰到的控制对象, 是提高劳动生产率和改善工人作业条件的一种重要手段, 被广泛应用在各种机械和农业等领域, 如冲压、锻造、喷漆、热处理及作物采摘等作业经过, 十分是在有毒、放射性、水下或大面积农业作业、复杂采摘作业环境等, 机械手发挥了重要的作用, 遭到了国内外各领域专家的重视。PLC (可编程控制器) 是专门为工业环境下自动控制设计的控制装置, 随着计算机技术和微电子技术的发展, PLC在硬件和软件编程、通讯联网等方面得到了较大的改善, 已经成为机械手自动化控制的最重要配置之一。 PLC通用性和实用性较好, 硬件配套齐全, 编程简单易把握, 在使用时能够节省大量的人力、物力, 在采摘机器人和

8、装配生产线上应用非常广泛。最近几年, 随着我们国家自动化水平的不断提高, PLC也被应用到了更多的自动化控制领域。与一般的微电子控制器一样, PLC也有两部分组成, 包括硬件部分和软件部分。 硬件部分包括核心处理器、存储器、输入输出接口、电源、编程控制器和I/O扩展接口, 总体框架如此图1所示。其软件系统也分为两部分:用户程序和系统程序。系统程序由厂家生产PLC时嵌入到内部的程序, 是PLC自带程序, 被固化在如此图1的EPROM中;用户程序能够根据用户的本身需求对程序进行编写。硬件系统和软件系统组成了完好的PLC系统, 两者相互补充缺一不可。 MCGS是一套主要对PLC系统进行监控的软件,

9、它能够快速地在计算机平台上构建和生成监控系统组态软件, 通过对监控数据的处理, 能够以动画的形式呈现, 在监控到系统故障时能够进行预警, 还能够通过流程控制与报表输出等多种方式为客户提供解决实际问题的方案, 在机械手自动化控制经过中发挥重要的作用。本研究将MCGS应用到采摘机器人气动机械手快速控制系统的监控经过中, 可对机械手的动作状态进行检测, 为优化机械手的作业性能提供数据支持。 图1 PLC硬件构造总体框架图Fig.1 The general framework diagram of PLC hardware structure 2、 PLC和MCGS组态软件控制系统设计 根据构造形式的

10、不同, PLC共分为两种形式:一种是整体式, 体积小、价格便宜, 将PLC常用的构建都封装在箱体内, 然后根据CPU型号和I/O点数的不同分成若干规格;另一种形式是模块式, 一般大中型PLC采用这种形式, 由机架和模块组成。这两种形式的PLC都属于总线式的, 两种形式的I/O接口能够根据用户需求进行扩展。 PLC的存储器分为用户存储和系统存储两部分:系统存储部分存储了厂家设计的基本操作程序;用户存储部分能够根据用户需求存储个人的操作系统数据。存储器分为3种类型, 包括RAM (随机存储器) 、ROM (只读存储器) 、EEPROM (可电擦出可编程只读存储器) 。PLC另一个重要的部分是I/O

11、接口, I/O接口两个主要的模块是输入和输出模块, 输入模块能够接收信号和采集信号, 输出模块能够由大功率晶体管、场效应管、双向可控硅和继电器等组成。在设计PLC编程时, 代码的定义非常重要, 本次主要的动作编码如表1所示。 对采摘机器人的动作和动作进行预定义编码, 然后嵌入到硬件开关中, 通过开关的动作来执行动作编码。PLC的硬件动作开关示意图如此图2所示。 如此图2所示:每个动作指令都对应于相应的开关, 对于动作的执行与否以及执行的好坏需要利用专门的软件进行监控。本次采用MCGS组态软件对PLC系统进行监测, 其构造示意图如此图3所示。 表1 PLC动作编号Table 1PLC actio

12、n number 图2 PLC硬件示意图Fig.2 PLC hardware schematic diagram 图3 监测系统构造示意图Fig.3 The structure schematic diagram of the monitoring system 监测系统共分为两部分:一部分是组态环境;一部分是运行环境。华而不实, 组态环境能够帮助用户构造系统, 运行环境以用户个性化设计需求为根据, 完成用户需求的目的和功能。 MCGS组态软件建立的应用系统包括主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略5部分 (见图4) , 每个部分具有不同的组态操作, 其功能特性不同。 1) 主控窗

13、口。主控窗口是本次采摘机械手监控的主体框架部分, 在主控窗口上能够参加一个设备窗口和多个用户窗口。主控窗口能够对这些窗口进行管理, 如工程名称的定义、工程菜单的编制、封面设计及窗口的启动等。 2) 设备窗口。设备窗口主要用来连接和驱动采摘机器人的机械手等末端设备, 能够采集不同功能的末端设备的作业数据, 将数据传输到数据库进行数据分析, 并管理和调度设备的正常运行。 3) 用户窗口。用户窗口能够实现采摘机器人和人之间的交互功能, 其使用的图形有图元、图符和动画构件, 利用这些能够设计图形画面, 可以以对动画的显示进行定义和操作, 将复杂的画面变得简单、易操作。 4) 实时数据库。实时数据库是M

14、CGS系统的核心, 能够将采集的采摘机器人作业环境进行数据处理, 是数据采集和信息输出的关键部分。其采集的数据利用实时数据库进行报警处理和存盘, 还能够为系统的其他部分提供数据分享。 5) 运行策略。运行策略主要是针对系统的运行流程而设计的, 包括编程控制程序和功能构件的选择, 使系统能够顺利的运行。 如上所述, 采摘机械手的PLC控制系统设计完成后, 能够利用MCGS组态软件的监测功能对系统进行监测, 根据监测到的机械手作业性能, 对其进行构造优化, 使采摘机械手能够发挥最大的采摘作用。 图4 MCGS用户应用系统总体框架图Fig.4 The general framework diagra

15、m of MCGS user application system 3 采摘机械手组态软件系统测试 基于PLC的采摘机械手控制系统完成后, 能够利用MCGS组态软件对其作业性能进行监测, 同时利用MCGS系统对机械手的动作进行管理和调度, 使采摘机械手的性能发挥到最佳状态。首先利用MCGS系统对实时数据进行采集, 实时数据采集窗口的设计如此图5所示。 图5 实时数据库窗口Fig.5Real time Database window 为了实现PLC气动采摘机械手的快速控制和监测, 需要对系统进行实时数据采集, 采集的数据能够直接输出, 可以以以动画的形式输出, 动画设置如此图6所示。 图6 动画

16、组态属性设置Fig.6The attribute setting of animation configuration 动画显示功能能够根据用户的需求进行一系列的修改, 包括动画的效果, 如填充颜色、字符的颜色和边线的属性设置等。设置好MCGS系统的功能属性后, 对采摘机械手进行了测试, 测试场景如此图7所示。 对基于PLC气动采摘机械手的果实抓取和松开等功能进行了测试, 测试的项目包括采摘的破损率和采摘时间等, 并利用MCGS系统对作业情况进行了统计, 得到了如表2所示的测试结果。 从采摘的破损率来看:基于PLC控制的气动采摘机械手具有较高的控制精度, 采摘的破损率较小。由作用时间能够看出:

17、气动采摘机械手的作业速度较快, 能够知足快速控制的设计需求。 图7 果实抓取测试Fig.7 The fruit grabbing test 表2 MCGS系统数据统计结果Table 2 Data statistical results of MCGS system 4、 结论 为了提高采摘机器人机械手的控制效率, 将PLC控制和MCGS组态软件引入到了采摘机械手控制系统中, 实现了采摘机械手的快速控制和状态监测, 进而提高了机械手的控制效率。为了验证方案的可行性, 对采摘机械手控制系统进行了测试 (包括PLC控制效率和MCGS的监测效果) 。测试结果表示清楚:MCGS能够成功地监测机械手的作业

18、状态数据, 采用PLC控制系统具有较高的控制效率和准确性, 抓取果实的破损率较低, 需要的抓取时间较短, 能够知足采摘机械手快速控制的设计需求。 以下为参考文献： 1孙吉贵, 刘杰, 赵连宇.聚类算法研究J.软件学报, 2008, 19 (1) :48-61. 2曾东海, 米红, 刘力丰.一种基于网格密度与空间划分树的聚类算法J.系统工程理论与实践, 2008, 28 (7) :125-133. 3李光强, 邓敏, 刘启亮, 等.一种适应局部密度变化的空间聚类方式方法J.测绘学报, 2018, 38 (3) :255-263. 4刘铭, 王晓龙, 刘远超.一种大规模高维数据快速聚类算法J.自动

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21、维信息获取与重构J.农业机械学报, 2020, 43 (3) :153-156. 14孟庆宽, 何洁, 仇瑞承, 等.基于机器视觉的自然环境下作物行辨别与导航线提取J.光学学报, 2020, 34 (7) :1-7. 15刘金龙, 郑泽锋, 丁为民, 等.对靶喷雾红外探测器的设计与探测距离测试J.江苏农业科学, 2020, 41 (7) :368-370. 16焦恩璋, 陈美宏.工业机器人离线编程研究J.装备制造技术, 2018 (10) :18-19. 17纪超, 冯青春, 李伟.温室黄瓜采摘机器人系统研制及性能分析J.机器人, 2018, 33 (6) :725-730. 18毛可骏, 周

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