基于PLC与电液伺服的油罐清洗机器人控制系统设计.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 9期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I C S Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 1 0 基于 P L C与电液伺服 的油罐清洗机器人控制系统设计 李悦 ，周利坤 ，冯建伟 ，付贵永 武警工程大学军交运输 系，陕西西安 7 1 0 0 8 6 摘要为满足作业安全性和操作灵活性要求，设计 了油罐清洗机器人全液压控制系统。分析机器人结构特性及功能， 确定组成油罐清洗机器人液压控制系统的各组成部分；根据各组成部分的工作原理和过程，设计机器人的液压系统回路， 并分析在回路基础上各功能的实现过程 ；分别进行了P L C控制系统和电液伺服控制系统设计，根据回路各元件的传递函数 建立了整个系统的传递函数，为各元件的选型及整个回路的仿真分析奠定了理论基础。 关键词机器人；控制系统；P L C；电液伺服控制 中图分类号 T P 2 4 文献标识码 B 文章编 号1 0 0 1 3 8 8 1 l 2 0 1 4 9 0 3 7 4 De s i g n o f Co nt r o l S y s t e m f o r Oi l Ta nk Cl e a ni ng Ro bo t Ba s e d o n PLC a n d El e c t r o ． hy d r a ul i c S e r v o L I Y u e ．Z HOU L i k u n，F E NG J i a n we i ，F U Gu i y o n g D e p a r t me n t o f Mi l i t a r y T r a f f i c＆ T r a n s p o r t a t i o n ，E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f C A P F， Xi ， a n S h a a n x i 7 1 0 0 8 6．Ch i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f o l i t a n k c l e a n i n g r o b o t wa s d e s i g n e d t o a f f o r d t h e o p e r a t i n g s a f e t y a n d fle x i b i l i t y ． F i r s t l y， a l l c o mp o n e n t e l e me n t s o f t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m we r e c o n f i r me d a f t e r a n a l y z i n g t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e ri s t i c s a n d f u n c t i o n s o f t h e r o b o t s ． S e c o n d l y ， o n t h e b a s i s o f w o r k i n g p ri n c i p l e a n d p r o c e s s o f e v e r y c o mp o n e n t e l e me n t ， a h y d r a u l i c s y s t e m c i r c u i t wa s d e s i g n e d f o r t h e r o b o t a n d t h e a c h i e v i n g p r o c e s s o f e v e r y c o mp o n e n t e l e me n t wa s a n a l y z e d ． L a s t ， t h e P L C c o n t r o l s y s t e m a n d t h e e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m w e r e r e s p e c t i v e l y d e v i s e d ． On t h e b a s i s o f t r a n s f e r f u n c t i o n s o f a l l c o mp o n e n t e l e me n t s ． t h e wh o l e t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h e s y s t e m w a s b u i l t ． I t p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r c o mp o n e n t e l e me n t s e l e c t i n g a n d c i r c u i t s i mu l a t i o n ． Ke y wo r d s Ro b o t s ； C o n t r o l s y s t e m ； P L C； E l e c t r o h y d r a u l i c s e n ro c o n t r o l 可编程控制器简称 P L C ，是一种综合了计算机技 术、自动控制技术和通信技术的一种通用的工业 自动 控制装置。它以微处理器为基础，采用可以编制程序 的存储器 ，在其内部存储执行逻辑运算 、顺序运算、 计时计数和算术运算等操作的指令 ，并能通过数字式 或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程 一 。 电液伺服控制系统 是液压伺服控制系统的一 种 ，因其响应速度快 、控制精 度高 ，近年来得到 了广 泛的发展和应用。电液伺服系统是由电的信号处理部 分与液压 的功率输 出部分组成 的闭环控制系统 。由检 测器的多样性使组成包含许多物理量的闭环控制系统 称为可能，如位置、速度和力或压力伺服控制 系统 等 ，克服了普通液压系统庞大笨重、精确度低 的缺 点 。 油罐清洗机器人是一种智能服务机器人 ，它可 以 在 油罐 内部 自由移动 ，对油罐进行 冲洗 、清扫 和刮铲 等动作 ，代替人工进行油罐清理作业。因此 ，为满足 作业安全性和操作灵活性要求 ，机器人控制系统采用 P L C控制和电液伺服控制的联合液压控制系统。 1 系统组成 油罐清洗机器人的液压控制系统包括液压 系统 和 控制系统。 把各液压元件用油管有机地连接起来 的组合体 即 是机器人 的液压 系统 ，该 系统 的功能是把发 动机 的机 械能以油液为介质 ，利用油泵转变为液压能 ，传送给 油缸 、油马达等转变为机械能，再传动各执行机构， 实现各种运动和工作过程。液压系统包括执行元件、 控制元件 等 。 机器人液压系统执行元件主要有能实现直线往复 运动的液压缸和能实现往复旋转运动的液压马达。执 行元件系统组成如图1 所示 ，包括移动单元和清洗单 元。移动单元由液压马达驱动的3 个对称布置的全向 麦克纳姆轮构成，可以使机器人实现平面内的全方位 移动 ；清洗单元包括 3 个对称 布置 的清洗 盘刷和机械 臂 ，清洗 盘刷 由液压马达驱动进行清扫作业 ，机械臂 收稿 日期 2 0 1 21 2 0 3 基金项目陕西省重点学科建设专项资金资助项目 1 0 2 - 0 0 x 9 0 3 作者简介李悦 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机械设计、智能机器人等。Em a i l 1 6 9 0 2 5 8 2 8 0 q q ． c o rn。 3 8 机床与液压 第 4 2卷 的3个关节分别由 1 个液压马达和 2个液压缸驱动 ， 末端固定有射流喷嘴和刮铲 ，进行冲洗和刮铲作业。 1 一液压缸【 2 个 2 机械臂 卜 清洗盘刷液压马达 3 个 4 全向轮液压马达f 3 个 争 水板 3 个 6 一底盘 7 清洗盘刷 3 个 8 全 向轮 3 个 9 一机械臂液压马达 l O 一射流喷嘴 l 卜 油泥刮铲 图 1 机器人液压执行系统 液压系统通过各种阀体等控制元件控制执行元件 的运动 。机器人液压 系统控 制元件对液压 回路 的 工作状态进行控制。溢流阀、蓄能器和压力监测器对 回路进行减压和稳压 ，起安全保护作用；三位四通电 磁换向阀和调 速 阀控 制液 压缸 和 液压 马达 的伸 出收 回、转动方向和转速等；电液伺服阀通过调节流经各 执行元件的流量 ，对液压缸的工作位移及液压马达的 转动角度进行控制 。 根据功能和结构特点，油罐清洗机器人的控制系 统包括 P L C控 制 系统 和电液 伺 服位 置控 制 系统 ，二 者联合实现对各执行元件的工作方向、位移和角度进 行控制 。 2液压系统设计 根据上述机器人移动单元和清洗单元的工作原理 和过程 ，设计 如图 2所示 的液压系统原理 图。 s ， 1 0 DT* _ 9 D T 8 D T 7 D T 6 D T 5 D T 4 D T 3 D T 2 D T 申 l D T 1 9 目 I 山 l 8 目 I山 1 7 H l 山 l 6 日 I山 1 5 1 2 『 1 1 f 1 0 r 9 f 8 l 一油箱2 一过滤器卜 电动机4 一双向定量液压泵5 一溢流阀 6 一 蓄能器7 一压力监 测器8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、l 4 一电液伺服 阀 l 5 、1 6 、I 7 、l 8 、1 9 、2 0 、2 1 --三位 四通 电磁换向阀 2 2 --调速阀 2 卜 位移传感器2 4 一扭矩传感器和编码器2 5 、2 6 一 机械 臂可调双缓 冲双作用缸2 7 、2 8 、2 9 全向轮双向定量液压马达 3 O 一清洗盘刷双向定量液压马达3 l 一机械臂双向定量液压马达 图 2 机器 人液压系统 功能实现 如 图 2所示 2 ． 1 移 动 由全向轮的特性及结构布置特点可知，机器人需 要移动时，只需协调控制 3个液压马达 2 72 9的旋 转即可实现原地旋转和直线移动。 1 原地旋 转。当 电液 比例减 压 阀 1 01 2压力 相等且三位四通电磁换向阀 1 71 9的 5 D T 、7 D T和 9 D T或 6 D T 、8 D T和 1 0 D T通 电时 ，3个 全 向 轮均 顺 时针或者逆时针同速转动，机器人以形心为中心原地 旋转 。 2 直线移动。当 5 D T 、7 D T和 9 D T其中两个 通电、另一个不通电或 6 D T 、8 D T和 1 0 D T其 中两个 通 电、另一个不通 电时 ，两个 全 向轮 同向同速 转动 ， 另一个全 向轮不转动 ，机器人沿不转动全 向轮 的轴线 方 向直线移动 。 非上述两种情况时，机器人沿不规则曲线转动或 移动 。 2 ． 2 清 洗 1 清洗 盘 刷 。3个 清 洗盘 刷 由 3个 液 压 马 达 3 0独立驱动 ，互不干涉，三者同步工作 ，由共同的 电液比例减压阀 1 3和三位四通电磁换向阀2 0进行 控制 ，可以实现对盘刷转动力矩 、速度和方 向的控 制 。 2 机械臂。机械臂整体的转动由基座液压马 达 3 1驱动 ，三位四通电磁换向阀 2 l控制转动的方 向。机械臂的伸展 由两个双 向作用液压缸 2 5和 2 6驱 动 ，可以调整射流喷嘴和刮铲的工作位置和角度。当 1 D T和 3 D T通 电 ，液压缸伸 出 ，机械臂伸展 ；当 2 D T 和 4 D T通 电，液压缸收 回，机械臂收缩 。 3 P L C控制系统设计 上述各个液压缸和液压马达的动作由三位四通电 磁阀来控制，为 了实现 P L C对 回路 的控制，用 P L C 的输入／ 输 出信 号控 制 1 D T - 1 4 D T的状 态 而实 现 动作 的先后顺序 。 根据机器人工作过程，需要 1 9个数字输入点和 1 6个 数 字输 出 点 。系统 选 用 S I MA T I C 5 7 - 2 0 0系 列 c P U 2 2 6 D C ／ D C ／ D C型 P L C ，根据 电液 伺 服系统 中有 7 个 模拟量输入 2个位移传 感器 和 5个 编码器 和 7 个模拟量输出 7个伺服放大器的要求，扩展了 7个 E M 2 3 5模块 。 根 据液压 系 统 的功 能分 析 ，可 以设 计 出 P L C的 部分输入／ 输出点分配及功能如表 1 2所示 ，P L C的 I ／ O端子接线 图如 图 3所示 。 ， 罄 n 肝 墨 ∞ 越 一 第 9期 李悦 等基于 P L C与电液伺服的油罐清洗机器人控制系统设计 3 9 表 1 输入信号 1 7 0分配及功能对照表 表 2 输出信号 I ／ O分配及功能对照表 I El I E2 I F1 I F5 0 oMl CoM XO Y0 亡卜 ’ 一 X l Y 1 四 X2 Y2 亡卜一 X3 Y3 3 - - - - ’ X4 Y4 亡卜一 X5 Y5 匕]_ _ 一 c X6 Y6 C卜- - 。 Y7 亡 一 X7 四 X8 Y8 3 - - - X9 Y9 [卜 - 一 P Yl 0 亡卜 Xl 0 。 X1 1 Y1 1 匕]L - 一 L -c E “ Xl 2 Y1 2 亡 ． C Yl 3 匕 一 X1 3 t X1 4 Y1 4 亡 - Xl 5 Yl 5 匕卜一 X l 6 X 1 7 X l 8 X1 9 Y1 6 X2 0 Y1 7 X21 Y 1 8 X2 5 Y2 2 l l EM 2 3 5 o El oE2 0Fl o F5 图3 P L C的I ／ O端子接线图 4 电液伺服控制系统设计 电液伺服系统分为阀控和泵控两种 。在 阀控电 液伺服系统中，电液伺服阀是电信号 和液压信号的 桥梁，其作用 是将 电气 和液压 两种传动 连接起 来 ，将输入到系统 的小功 率电信号转变 为阀 的运 动 ，进而控制流向液压执行元件的流量与压力 ，实 现电 一液信号的转换与放大 以及对液压执行元件的 控 制 。 油罐清洗机器人的电液伺服装置均是阀控位置伺 服控制系统。文中选用滑阀位置反馈 电液伺服阀，通 过控制流向各液压缸和液压马达的流量，实现对液压 缸的位移及液压马达转角的控制 ，进而控制机器人的 移动距离及清洗角度。阀控位置伺服系统的原理框图 如 图4所示 。 篓 崾 墓 L _ 位移传感器 卜 _ _ _ J 图4 阀控位置伺服系统框图 伺服放大器的传递函数 1 F ＼ ‘ ， 。a 1 ∞ a 式中K 为放大器与线圈电路增益 ，A ／ V； 为线 圈转折频率，r a d ／ s 。 电液伺服阀的传递函数通常用振荡环节来近似 4 0 机床与液压 第 4 2卷 孚 南 l-丁 s I l ＼ ∞v ／ 当动力机构固有频率低于5 0 H z 时，电液伺服阀 的传递 函数可表示为 孚 式 中 K 为电液伺服 阀流量 增益 ，m ／ s A ； 为 比 ， 无 因次 ；T 为伺服 阀的时间常数 ， 液压阀控缸的传递函数为 数 y 0 由上 A D s 2 S ∞ h 1 S o 3 4 述各元件的传递函数，可得出系统的传递函 莓丽 s击 “ 善 “ 妄 “ 5 由于动力机构 的液压 固有频率往往 比较低 ，因此 系统的传递 函数可近似地 由下式来表示 南 2 s t 6 传递函数的确定为液压系统元件的选型及整个回 路的仿真分析奠定了理论基础。将回路系统各选型元 件的参数代入传递函数 ，即可进行系统的稳态误差分 析 、频率 响应与瞬态响应 分析等 ，为系统设计进行验 证和优 化，这 里 不再 进 行 具 体 实例 的计 算 和分 。 参考文献 [ 1 ]于大国， 杨福合， 马清艳 ， 等． 利用 P L C灵活控制液压设 备的运动[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 3 6 0 6 2 ． [ 2 ]徐钦， 陈永利． 基于 P L C的液压传动组合机床电气控制 系统设计[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 2 1 2 6 4 6 6 ． [ 3 ]姚玲峰， 曹选平， 罗纲． 基于 P L C的多功能液压源控制 系统设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 1 0 71 0 9 ． [ 4 ]金成毅， 熊瑞平． 一种基于 P L C控制的石材切割机 的液 压系统[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 t 2 4 4 8 5 1 ． [ 5 ]杨志永 ， 李辉． 基于 P L C与伺服液压的装胎机控制系统 设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 2 5 3 5 5 ． [ 6 ]Z H A N G R， L I S ， J I N Y， e t a 1 ． C o mp e t i t i v e S u r f a c e I n t e r a c t i o n s o f Crit i c a l Ad di t i v e s I n t e r a c t e d wi t h Pi s t o n Ri ng ／Cy l i n d e r L i n e r C o mp o n e n t s u n d e r L u b ric a t e d Ru n n i n g i n C o n d i t i o n s [ J ] ． S c i e n c e i n C h i n a ， S e r A， 2 0 0 1 ， 4 4 1 4 9 1 5 5． [ 7 ]蒋波， 刘庆运． 基于关节全驱动的液压手指机构设计与 仿真[ J ] ． 机械科学与技术 ， 2 0 1 1 ， 3 0 8 1 4 0 21 4 0 8 ． [ 8 ]朱凌宏． 基于 P L C的液压驱动式机械手动作设计 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 7 91 0 4 ． [ 9 ]张军． 煤矿巷道掘进机液压控制系统的分析 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 4 7 5 8 2 ． [ 1 O ]续彦芳， 苏铁熊， 顾亮先， 等． 转鼓式无链供弹液压系统 设计研究[ J ] ． 火炮发射与控制学报， 2 1 0 0 ， 1 2 4 2 4 28． [ 1 1 ]郝双晖， 石晶合 ， 郝明晖， 等． 直驱式电液伺服系统压力 流量复合控制 [ J ] ． 吉林 大学学报 工学版， 2 0 1 1 ， 4 1 4 1 1 31 1 1 8 ． [ 1 2 ]许宏光， 曹健 ， 赵阳． 直驱式电液伺服系统及其在注塑 机上的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 3 1 1 91 2 0 ． [ 1 3 ]权龙， N E U B E R T T， H E L D U S E R S ． 转速可调泵直接闭 环控制差动缸伺服系统静特性 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 3 1 4 41 4 8 ． [ 1 4 ]姜继海， 涂婉丽， 曹健． 直驱式容积控制电液伺服系统 动态性能研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 8 2 93 2 ． 上接 第 8 0页 参考文献 [ 1 ]王竣． 现代深孔加工技术[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工业出版 社 ， 2 0 0 5 1 2 O ． [ 2 ]倪晓宇 ， 易红， 汤文成， 等． 机床床身结构的有限元分析 与优化[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 5 ， 2 4 75 0 ． [ 3 ]张朝晖． A N S Y S 1 2 ． 0结构分析工程应用[ M] ． 3版， 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 2 01 4 0 ． [ 4 ]陈叶林 ， 丁晓红， 郭春星 ， 等． 机床床身结构优化设计方 法[ J ] ． 机械设计， 2 0 1 0， 2 7 8 6 56 8 ． [ 5 ]于建伟 ， 刘晓平． A N S Y S中的参数化建模方法研究[ J ] ． 设计与研究 ， 2 0 0 8 ， 3 5 3 2 1 2 2 ． [ 6 ]龚曙光， 谢桂兰． A N S Y S操作命令与参数化编程[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 1 1 0 ． [ 7 ]博弈创作室． A P D L参数化有限元分析技术及其应用实 例[ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 4 8 7 7 ． [ 8 ]O H T S U B O H， K A WA MU R A Y， K U O T A A． D e v e l o p me n t o f t h e O b j e c t - 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