PLC在爬行式焊接机器人中的应用

JournalofNanchangUniversity(Engineering&Technology)Vol.25No.4Dec.2003

　　文章编号:1006-0456(2003)04-0014-03

PLC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330029)

　　摘要:针对爬行式智能弧焊机器人的控制,提出了一种由PLC作为主控制器的控制方法.提出了PLC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PLC的选型、各种信号的确定及I/O分配、接口的接线和PLC的编程.实验证明该系统工作稳定,跟踪精度可达到1mm,满足了焊接质量的要求.

关键词:PLC;人机界面;爬行机器人

中图法分类号:TP242.6　　　　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.PLC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PLC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].

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、摆动机构及其控制器)、PLC、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60mm,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,PLC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.212　工作过程分析

2　系统简介及工作过程分析

211　系统简介

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.

系统主要由爬行机构(轮履复合式小车)、十字

图1　爬行式智能弧焊机器人系统

收稿日期:2003-05-09

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50075037);国家高新技术研究发展计划(863计划)项目(2001AA422220)作者简介:刘伟力,男,1978年生,硕士研究生1

第4期刘伟力等:PLC在爬行式焊接机器人中的应用・15・

00001　自动的停止按键00010　滑块右控位开关00002　手动/自动的切换00011　滑块左控位开关00003　小车向前运动按键00012　滑块中位开关00004　小车向后运动按键00014　系统出错报警00005　小车向左运动按键00101　焊缝找到

图2　系统工作流程图

00006　小车向右运动按键00104　滑块向右运动00105　滑块向左运动232　　检测电流值(模拟量)

233　　左轮速度反馈电压值(模拟量)234　　右轮速度反馈电压值(模拟量)

21211　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.21212　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　PLC控制电路的设计

311　PLC选型

系统主要输出点分配如下:

10000　找到焊缝指示灯10001　启动指示灯10003　起弧指示灯10004　中位指示灯10005　报警指示灯10012　开始送丝信号

10006～10011　PLC对滑块控制系统的启动、

停止、错误确认等控制信号

236　小车左电机转速控制电压输出(模拟量)237　小车右电机转速控制电压输出(模拟量)313　PLC控制系统I/O接口电路

PLC在系统中主要是协调各个子系统能按照

由于PLC既要处理各种逻辑开关量,又有模拟量的输入输出,并且PLC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

OMRON公司的CQM1H系列.CQM1H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16～256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CPU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[3,4].在这作了如下配置,如表1所示.312　输入和输出点的分配

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:

00000　自动的启动按键00007　报警确认按键

焊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PLC控制器的I/O接口电路示意图如图3所示.系统一共用了22个数字量输入口、14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RS232口.各种开关、按钮和指示灯都是由24V直流电源供电的;电流变送器检测到4～20mA的电流,通过模拟量输入口进入PLC;左右轮的速度检测是从电机驱动器提供的接口中提取出-5～+5V电压值,然后通过模拟量输入口进入到PLC,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PLC模拟量输出口提供,控制电压值为-5～+5V;PLC与可编程序显示器的通信采用的是RS-232串行通信方式,驱动程序由可编程序显示器提供.

・16・南昌大学学报(工科版)2003年

表1　CQM1H型PLC的配置

名称

CPU单元

型号

CQM1H-CPU51CQM1-PA206

CQM1H-MAB42

通道(点)数

1块(带16点数字输入)1块

1块(模拟量输入:4路,0～5V,0～10V,-10～+10V,4～20mA;模拟量输出:2路,-10

功能

逻辑及数算PLC系统工作电源

电源单元

模拟量I/O板

速度控制,速度、电流检测

数字输入单元

数字输出单元

CQM1-1D212CQM1-OC222

～+10V,0～20mA)

2块(32点,24VDC,6mA)1块(16点,2A,24VDC)

开关、接触器状态检测系统逻辑控制及状态

图4　自动子程序流程框图

图3　PLC的I/O口接线示意图

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-232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CX-Programmer[3].CX-ProgrammerVersion2.1编程软件是基于Windows95/98或WindowsNT的用于对OmronCS1系列PLC、CV系列PLC以及C系列PLC配置和编程的

4　PLC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PLC的编程任务.在该系统中PLC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.

CQM1H型PLC的CPU自带了一个外设端口和一个RS-232端口,所以对于它的编程,既可以

标准软件包,是一个支持PLC设备和地址信息、OMRONPLC和这些PLC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PLC硬件状态,控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等[4].

(下转第50页)

・50・南昌大学学报(工科版)2003年

[13]　何开胜,戴济群.超长水泥土桩地基的安全监测[J].[17]　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,1998,(12).

[18]　宰金珉.复合桩基沉降计算最终应力法及其应用[J].

大坝观测与土工测试,2000,24(5):.

[14]　何开胜.水泥土搅拌桩设计计算方法探讨[J].岩土工

程学报,2002,25(11).

[15]　秦建庆,叶观宝.水泥土桩复合地基优化设计的参数

土木工程学报,2002,35(2).

[19]　杨宝玉,宋永强.水泥土搅拌桩复合地基处理技术的

确定[J].地下工程与隧道,1999,(1):15.

[16]　秦建庆,陈建峰.水泥土桩复合地基变形控制中的若

工程应用[J].建筑结构,1999,(5).

[20]　叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京:中国

干问题探讨[J].岩土工程技术,1999,(2).建筑工业出版社,1998.

StudyofIndoorsImitatingExperimentofCement-SoilMixingPiles

WANGJun,QINYan-hua

(SchoolofEnvironmentalandArchitecturalEngineering,theSouthenInstitutionof

Metallurgy,GanzhouJiangxi341000,China)

Abstract:Byindoorsimitatingexperimentofcement-soildeepmixingpiles,theauthorofthisarticleinferstherelationshipbetweencement-soilstength,stayingpower,layorstrengthandeffectivepilelength.Althoughtheindoorsexperimentmodelcan’timitatethestateofdestroyingintestinggroundcompletely,itisfeasibleinqualitativeanalysisoftheworkingmechanismofcement-soilmixingpiles.Becausethemodeliseasytooperate,time-saving,power-saving,itcanbeusedwidelyinthefuture.What’smore,theresultofmodelexperimentisinagreementwiththatoftestingground.Soitisusefultothedesignofcement-soilmixingpileinrealengineeringproject.

KeyWords:cement-soilpile;compositefoundation;effectivepilelength;imitatingexperiment

(上接第16页)

5　结束语

实验表明,该系统能够进行焊缝的精确跟踪,跟踪精度为1mm,达到焊接工艺和焊接质量的要求.同时系统具有较好的稳定性和可靠性,抗干扰能力也比较强,对焊接自动化和机器人的控制具有一定的借鉴作用.

　　[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]　陈茂华,等.履带式弧焊机器人轨迹跟踪控制系统的研

究[D].南昌:南昌大学,2002.

[3]　OMRONSYSMACCQH1H系列可编程序控制操作手

册(CatNo:OMP-ZDI00101A)[Z].

[4]　OMRONSYSMACCQM1H系列可编程序控制器编程

手册(CatNo:W3-E1-2)[Z].

参考文献:

[1]　皮壮行,等.可编程序控制器的系统设计与应用实例

ApplicationofPLCinClawingWeldingRobot

LIUWei-li,LIUGuo-ping,ZHANGHua,OUGuang-feng

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330029,China)

Abstract:Tocontrolthemobileweldingrobot,weputforwardamethodinthispaper,inwhichPLCactsasamaincontroller.ThispaperputsforwardadvantagesofPLCactingasthemaincontrollerintheprocessofweld,simplyintroduceshardwarecomposingofthesystem,analysesworkingprocessandexpatiatesonchoiceofPLC,certainnessofvarioussignals,distributinginputsandoutputs,connectionofinterfacesandprogrammingofPLC.Experimentshowsthatthesystemcanworksteadily,andthetrackingprecisionachieves1mm,itsatisfiestheneedofweldingquality.

KeyWords:programmablecontroller;HMI;clawingrobot