基于PLC气动控制系统的采摘机器人设计

3.0 闻远设计 2023-03-16 112 6 17.16KB 4 页免费

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基于 PLC 气动控制系统的采摘机器人设计

　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, 为机械手的结构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。测试结果表明:

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, 可以满足快速控制的设计

需求, MCGS 监测系统可成功地对机械手的状态数据进行统计, 为机械手的设计和结构优化及作

业状态的监测提供了直观准确的状态数据。

关键词：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 software 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 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 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 (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 从诞生至今虽然时间不长, 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当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,

以达到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常遇到的控制对象, 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

过程, 特别是在有毒、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, 受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, 编程简单易掌握, 在使用时可以节省大量的人力、物

力, 在采摘机器人和装配生产线上应用非常广泛。近几年, 随着我国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相同, 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, 被固化在如图1的EPROM 中;用户程序可以根据用户的自

身需求对程序进行编写。硬件系统和软件系统组成了完整的PLC 系统, 两者互相补充缺一不

可。

MCGS 是一套主要对 PLC 系统进行监控的软件, 它可以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, 可以以动画的形式呈现, 在监控到系统故障时可以进行

预警, 还可以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

动化控制过程中发挥重要的作用。本研究将 MCGS 应用到采摘机器人气动机械手快速控制系统

的监控过程中, 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 硬件结构总体框架图 Fig.1 The general framework diagram of PLC hardware structure

2 　、PLC 和MCGS 组态软件控制系统设计

按照结构形式的不同, PLC 共分为两种模式: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, 然后按照 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 采用这种模式, 由机架和模块组成。这两种模式的PLC 都属于总线式的, 两种

模式的I/O 接口可以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;

用户存储部分可以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 接口, I/O 接口两个主要的模块是输入和输出模块, 输入模块可以接收信号和采集

信号, 输出模块可以由大功率晶体管、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图2所示。

如图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, 其结构示意图如图3所

示。

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。其中, 组态环境可以帮助用户构

造系统, 运行环境以用户个性化设计需求为依据, 完成用户需求的目标和功能。

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, 在主控窗口上可以加入一个设

备窗口和多个用户窗口。主控窗口可以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, 可以采集不同功

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。用户窗口可以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, 利用这些可以设计图形画面, 也可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MCGS 系统的核心, 可以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,

还可以为系统的其他部分提供数据共享。

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, 使系统可以顺利的运行。

如上所述, 采摘机械手的 PLC 控制系统设计完成后, 可以利用 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, 对其进行结构优化, 使采摘机械手能够发挥最大的

采摘作用。

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摘要：

基于PLC气动控制系统的采摘机器人设计　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,为机械手的结构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。测试结果表明: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,可以满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,为机械手的设计和结构优化及作业状态的监测提供了直观准确的状态数据。关键词：...

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