基于虚拟PLC的三维机械手仿真控制系统研究.pdf

控 制 基于虚拟 P L C的三维机械手仿真控制系统研究 胡 兆勇，秦兵 广东工业 大学机电工程 学院， 广东广州 5 1 0 0 0 6 拟可编程控制器的机械手仿 真控制 问题 。利用虚拟现 实技术 ，创 建了三 自由度机械手 的三维仿真环境 ，阐述 与虚拟机械手之间 的通讯 。在此 基础上 ，开发了面向三维机械手的虚拟交互仿真 系统 。仿真实验的结果表 明． 机界面 ，能用于机械手的控 制仿真 。 关键词 可编程控制器 ；机械手 ；仿真 虚拟现 实 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 7 0 0 1 6 0 2 可 编程控 制 器简称 为 P L C P r o g r a m m a b l e l o g i c C o n t r o l l e r ，是为工业控制 应用而设计制造 的 ，已成为解决 自 动控制 问题 的最有效 工具 。P L C在工业控制领域得 到了广 泛 的应 用 ，是 自动化 的三 大技 术支 柱 P L C技 术 、机 器 人 、C A D ／ C A M之一 。机 械手 的 P L C控 制是可 编程序控 制 器实验 教学 中的典 型案 例 。当前 主要 利用 电工 电子 技 术 ，搭建模拟 的机械手示意图 ，通过 L E D显示灯来表 明机 械手处于何种状态 [ t- 3 ] ；抑或利用组 态软件 ．在 计算机上 设计软件系统 i4 o l ，牺牲 了仿真 对象 的真实性 ，并且实验 离不 开硬 件 P L C 。这 就使得 实验 教学 直 观性 差 、操 作不 便 、实验成 本高 ，不利 于学 生 的理解 。此 外 ，也有 用如 D e l p h i 、C B u i l d e r 等高级语 言和 F l a s h技 术来 实现虚拟 实验平 台 ] 。为此 ，论文研究 如何 采用计算机 技术和虚 拟现实技术 ．建 立虚拟 P L C和三维虚拟机 械手仿真环境 ， 开发纯三维虚拟的机械手交互仿真控制 系统 ，从而在没有 任何外部硬 件电路 的情 况下 ．使用一 台 P C机 即可实现基 于虚拟 P L C的三维机械手 的交互仿真控制。 1 虚 拟 P L C的开发 所谓虚拟 P L C，这 里是指通 过软件来实现硬件 P L C的 功能．从而能够不需要实际的硬 件 P L C来完成 P L C程序控 制逻辑 。具体来说 ，使用者能够在虚拟 P L C的环境中 ，自 行编制 P L C指令 程序 ．并能够仿真调试程序是否满足预定 的功 能。图 l 是作者 以三菱公 司的 P L C为对象 ，利用 V i ． s u a l C 开发环境 ．设计面向 F X系列 的 P L C仿真软件 [9 ] 。 2三维虚拟机械 手的建模 与仿真 在机械手 的 P L C实验教学 中 ，由于教学 仪器的 限制 ， 图 1 基 于 Vi s u a l C 开 发 的虚 拟 P L C 往 往采用 两 自由度机 械手 ，其控制相对来说过 于简单。为 此 ，论 文针 对三 自由度机械手进行三维建模 。该机 械手的 三个 自由度如图 2所示。 在 S o l i d w o r k s 中建立具有 三 自由度机 械手 的三维模 型， 并导 人 E O N S t u d i o虚拟 现实环 境 中。在虚 拟场景 中 ，该 三个 自由度 即对应为 轴 的平移 、Z轴 的平 移和 Z轴 的旋 转 。通过 E o n中 S c r i p t 节点 的 M a k e S F V e c 3 F方法 来实现 。 其 中，平移采用速度来控制 ，旋转 采用角速度来控制 。平 移速度和旋转角速度是可调的 。 1 Z轴的平移 e o n ． fi n d n o d e “ wa i s t ” ． g e t f i e l d b y n a me “ Ve l o c i t y ” ． v a l u e e o r 1 ． Ma k e S F Ve c 3 F 0 ，0，1 e o n ． fi n d n o d e “ wa i s t ” ． g e t f i e l d b y n a me “ Ve l o c i t y ” ． v H l u e e o n ． Ma k V e c 3 F O，0 ， 一 】 国家 自然科学基金 编号 5 0 7 7 5 0 4 7 ；广东省科技计划项 目 编号 2 0 0 7 A0 1 0 1 0 0 0 1 3 ，2 0 0 4 B 1 0 2 0 1 0 3 2 ；广东省高等教育教学改革工 程项 目 编号 粤教高[ 2 0 0 7 ]6 8号 ；广东工业 大学 2 0 0 7年校级教育教学改革项 目 收 稿 醐 删o 。 。 卜 圈■ _ 工 业 ▲Z L x t 立 柱 上 下 移l 动 、l， 手腕伸出缩进 ． ． I l - - - - - - - 柱旋转 图 2 三 自由度 机 械 手 示 意 图 上述 两行表示按照速度为 I mm ／ s ，沿 Z轴右移和 轴 左移。 2 Z轴的旋转 e o n ． fi n d n o d e “ wa i s t ” ． g e t fi e l d b y n a me “ An g u l a r Ve l o c i t y ” ． v a l u e e o n ． Ma k e S F Ve c 3 F 3 0，0，0 表示按照角速度为 3 0 。 ／ s ，沿 Z轴左旋 。 虚拟机械手 的整个运动控制是 由 P L C指令实现 的，虚 拟机械手的极限运行位置 又反馈给虚拟 P L C，相当于现场 检测信号 。图 3给 出了基于虚拟 P L C的机械手的控制系统 结构示意 图。 图 3 虚拟机械手的 P L C控制系统结构图 虚拟机械手 的工作流程是 由 P L C控制 。就需要在虚拟 场景和虚拟 P L C之间创建两者的通讯 。三个 自由度 6个运 动由虚拟机械手的输入事件 Y O 0 0 一 Y O 0 5完成 ，这些输入事 件对应 P L C的输 出指令 ；在极 限位 置设置 相应 的位置 检 测 ．共有 6个极 限保护 位置 。形成了虚拟机械 手的输出事、 件 X O 0 0 一 X O 0 5 ，对应了 P L C的输入指令。表 1 给出 了各 自 的功能。 表 1 虚拟 P L C与虚拟机械手的通讯端 口表 P L C输 入 功能 P L C输 出 功能 X O 0 0 立柱上极限位置 砌立柱上升 X o 0 l 立柱下极限位置 Y o o 1 立柱下降 X 0 0 2 立柱左转极限位置 Y 0 o 2 立柱左转 X 0 0 3 立柱右转极限位置 Y o 0 3 立柱右转 X 0 0 4 手腕伸出极限位置 Y O 0 4 手腕 伸出 X O 0 5 手腕缩进极限位置 Y 0 o 5 手腕缩 进 再将这些事件创建为 E o n中 S c r i p t 节 点的 1 2 个域 ，最 后通过路由 R o u t e s 关联来实现 ，如图 4所示。 图 4 S c r i p t 节点的新 建域及路 由控制 基 于该 通讯 连接关系 ，对机械手 的动作 进行控制。如 Y O 0 0和 Y 0 0 1 控制立 柱的上升和下降动作。 f un c t i o n On Y0 01 { ／ ／ 获取机械手的位置 v a t P e o n ． fi n d n o d e “ w r i s t ”． g e t f i e l d b y n a me “ P 0 - s i t i o n ” ． v a l u e ． t o A r r a y i f YO 0 0 ． v alu e t r u e ＆ YO 01 ． v a l u e f a l s e { ，， e o n ． fi n d n o d e “ w ris t ”． g e t f i e l d b y n a me “ V e l o c i t y ” ． v a l u e e o n ． Ma k e S F V e c 3 F O，O，1 X 0 0 1 ． v al u ef a l s e ／ ／ 机械手不在 下极 限位置 I f P [ 2 ] 8 XO o 0 ． v a l u e t r u e ／ ／ 机 械 手 到 达 上 极 限位 置 } e l s e i f Y0 01 ． v a l u e t r u e＆＆ Y0 0 0 ． v a l u e f a l s e { ， ， 降 e o n ． fi n d n o d e “ w r i s t ” ． g e t f i e l d b y n a m e “ V e l o c i t y ” ． v alu e e o n ． Ma k e S F Ve c 3 F 0，0，- 1 X 0 0 0 ． v al u e f a l s e ／ ／ 机械手不在上 极限位置 If P [ 2 ] 0 X0 0 1 ． v alu e t r u e ／ ／ 机 械 手 到 达 下 极 限 位 置 e l s e ， e o n ． fi n d n o d e “ w r i s t ” ．g e t fi e l d b y n a me “ V e l o c i t y ” ． v a l u ee o n ． Ma k e S F V e e 3 F 0 ，0 ，0 其他几个 动作 与此类似 。即可实 现 V C和 E O N之间的 通讯控制 。 下转 第 8 4页 4结论 本文提出的基于小波分析的声发射信号 降噪处理方法 能有效降低噪声的干扰 。从而提高 了对声发射源 的性 质识 别和判 断能力 ，使声发 射成为无损 检测 的手段更加 可靠 ， 对声发射技术 的发展具有积极 意义 。 参考文献 [ 1 ]杨明伟．声发射检测 [ M]．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 ． 『 2 ]飞 思科技 产品研 发 中心 ．小波 分析 理论 与 MA T L A B 7实现 [ M]．北京 电子工业出版社 ，2 0 0 5 ． [ 3 ]刘 明才 ，李淑芳．小波在信号 消噪 处理 中的应 用 [ J ]．大连 民族学院学报 ，2 0 0 5 ，7 1 l 一 3 ． 作者简 介 刘 丛兵 ，男 ，1 9 7 3年生 ，安 徽安庆 人 ，硕 士 ．工 程 师。研究领域 压力容器压力管道检验。已发表论文 5篇。 编辑 向 飞 上接 第 1 7页 3虚拟仿真实验 图 5给 出了基于虚拟 P L C的三维虚拟机械手仿真 实验 平 台。 D ■ I■ ●t 曩 。 ⑧ ●■_ 墨昌一 叫 一 ⑨ _J I - - - - - -- ～ J l L 黑 耀 。 ④ 图 5 基于虚拟 P L C的虚拟机械手仿真实验平 台 若假定虚拟机械手按照立柱上升 、立 柱左旋 、手腕伸 H J 的工作顺 序，设计 P L C梯形 图，如图 6所示。 图 6 实现机械手控制的 P L C程 序 通过调试运行该 程序 。机械手按照 了预定 的轨迹 ，从 而验证 了用 户程序的正确性。 4结论 论文围绕机械手的 P L C控制 问题 ，研究 能脱离 实际硬 件 可编程控制 器的机械手 三维虚拟仿 真系统 的关键技术 。 在 S o l i d w o r k s中创建具 有三 自由度 的三维机械 手原型 ，并 在 E O N平台 中编程实现 机械手 三个 自由度对应 的六个动 作 。研 究基 于 V i s u a l C 开 发的虚拟 P L C与 E O N环境下 虚拟机械手两者之 间的通讯 。仿真 实验表明 ，该虚拟仿真 平 台能够不需实际硬件 P L C的情况下 ，在纯虚拟环境 中实 现机械手的 P L C仿真控制 。基 于论 文所述 的共性 问题 ，深 入开发 了电梯 、十字路 口等控制 对象 ，建立更丰富 的虚拟 实验仿真资源库 。目前 ，该虚拟仿真 平台已在我校机械制 造及其 自动化专业 机 电传动控制课程 的实验教学 中成 功地进行了应用 ，取得 了良好的效果。 参考文献 [ 1 ]上 海育文教 学设备 有限公司．h t t p ／ ／ w ww ． s h y w z z ． c o rn ／ p r o 3 一 l 1 ． h t m [ E B ／ O L]． [ 2 ]天煌教仪．h t t p ／ ／ w w w ． t i a n h u a n g ．c n ／ p r o d u c t ．a s p c a t e *7 “ 编程控 制 器及 网络技术 系列 [ E B ／ O L ]． [ 3 ]中立琴 ，马彩 文，田新锋．西 门子 P L C控制 大量步进电机的 应 用研究 [ J ]． 机 电工程 ，2 0 0 8 5 9 -l 1 。1 5 ． [ 4]袁 云龙．基 于组态软 件的 P L C控制 系统仿真 实现[ J ]．自动 化仪表 ，2 0 0 6 ，2 7 5 5 7 5 8 ，6 1 ． f 5 ]李斌 ，邹灿红．P L C电 气控制仿 真教 学 系统 的设计[ J ]．机 电工程技 术，2 0 0 6 ，3 5 6 6 3 6 4 ． [ 6 ]李 杰臣，刘琼．P L C软件仿真技 术在 教学 中的应 用 [ J ]．成 都航空职业技 术学院学报 。2 0 0 6，2 2 1 2 5 2 7 ． f 7 1张 建，苏敏 ，李 亚力．虚拟技 术在 P L C 实验 中的应用[ J ]． 实验室研究与探 索，2 0 0 5 ，2 4 增刊 2 6 0 2 6 2 ． [ 8 ]何新 霞．可编程控 制 器虚拟 实验 平 台 [ J ]．机 电一体化 ， 2 0 0 5 3 8 5 - 8 7 ． [ 9]胡 兆勇，何 汉武 ，秦兵．基 于 Vi s u a l C 的虚拟 P L C仿真软 件开发 [ J ]．广东工业大学学报 ，2 0 0 9，2 6 1 4 O 一 4 3 ． 第一作者简介胡兆 勇 ，男 ，1 9 7 6年生 ，安徽庐江人 ，博士 ，讲 师。研究 领域 虚拟现实和计算机仿真。已发表论文 l 3篇。 编辑 吴智恒 量 ■ ， I