多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 引言

無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生的，可以進(jìn)入難以涉足的惡劣環(huán)境中執(zhí)行各項(xiàng)軍事任務(wù)，大大降低人員傷亡，對(duì)增強(qiáng)軍事作戰(zhàn)能力有著舉足輕重的意義，現(xiàn)各國(guó)均已投入大力研究[1-3]。一般無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人體積大、重量大、需要進(jìn)行裝配和調(diào)試，這就要求相應(yīng)的調(diào)試臺(tái)體積大、承載能力大、可靠性高。調(diào)試臺(tái)是一種復(fù)雜的機(jī)電耦合設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)精確姿態(tài)定位功能，為被試系統(tǒng)的試驗(yàn)提供穩(wěn)定支撐平臺(tái)[4-5]。調(diào)試臺(tái)的性能直接影響到被試系統(tǒng)試驗(yàn)的可靠性和置信度，所以研究高精度調(diào)試臺(tái)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。常見的調(diào)試臺(tái)多為升降臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)。但升降臺(tái)功能單一，僅能實(shí)現(xiàn)升降不能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能；小型轉(zhuǎn)臺(tái)精度高但僅適用于小型設(shè)備；大型轉(zhuǎn)臺(tái)體積大、重量大，適于大型設(shè)備但成本很高。針對(duì)大型無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人裝配、調(diào)試和性能測(cè)試需求，進(jìn)行多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)意義重大，調(diào)試臺(tái)實(shí)現(xiàn)升降和兩維旋轉(zhuǎn)功能，可用于大型無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人的各種組裝和調(diào)試，包括機(jī)器人作戰(zhàn)平臺(tái)空載測(cè)試時(shí)的履帶懸空姿態(tài)，極限位置時(shí)機(jī)器人狀態(tài)反饋等等，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)及解決被試系統(tǒng)存在的問(wèn)題，不斷改進(jìn)被試系統(tǒng)，進(jìn)而增強(qiáng)軍事作戰(zhàn)能力，推動(dòng)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展。

1 多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 多功能調(diào)試臺(tái)的功能需求分析

多功能調(diào)試臺(tái)主要用于無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人的各種組裝和調(diào)試，主要由機(jī)械臺(tái)體和控制系統(tǒng)兩部分組成。其中機(jī)械臺(tái)體用于承載無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人，并使其能進(jìn)行垂直升降和兩維旋轉(zhuǎn)。而控制系統(tǒng)則通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人能按操作者的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定的高度與位置。另外控制系統(tǒng)還具有負(fù)責(zé)設(shè)備安全運(yùn)行與故障檢測(cè)與隔離的功能。具體的功能要求主要有：

1)連續(xù)升降功能：調(diào)試臺(tái)臺(tái)體采用框架式電動(dòng)升降結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)試臺(tái)的升降進(jìn)而來(lái)調(diào)整調(diào)試臺(tái)的高度，以便于在不同高度下進(jìn)行無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人的裝配與不同功能測(cè)試。

2)兩軸旋轉(zhuǎn)功能：無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人安裝在兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)框架上，并能產(chǎn)生俯仰、滾動(dòng)方向的兩自由度傾斜功能。

3)多功能調(diào)試臺(tái)位置和姿態(tài)的手動(dòng)/自動(dòng)混合控制與實(shí)時(shí)顯示功能。

4)內(nèi)框架角度、中框架角度、高度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出功能。

5)系統(tǒng)故障檢測(cè)與隔離保護(hù)功能。

1.2 多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則為模塊化設(shè)計(jì)，采用成熟的控制技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的高可靠性、易操作性、安全性、易維護(hù)性，也使得安裝拆卸方便。

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，通常采用的控制方式有：基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制、基于單片機(jī)的控制和基于控制板卡與工業(yè)控制機(jī)的控制。綜合考慮控制要求、使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本等，多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)中確定采用基于PLC的控制方式。

多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)主要包括控制模塊、通訊模塊、輸出模塊和檢測(cè)模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

1)控制模塊：包括限位開關(guān)、手動(dòng)輸入按鈕、控制主機(jī)PLC。控制主機(jī)PLC與觸摸屏通過(guò)USB接口電路連接，交換控制過(guò)程中的數(shù)據(jù)參量，與PC通過(guò)RS-232通訊擴(kuò)充卡連接，將控制算法程序從PC下載到PLC，將輸出數(shù)據(jù)串行發(fā)送到PC并保存。PLC接收外部限位開關(guān)量、手動(dòng)控制量并做出相應(yīng)動(dòng)作。PLC接收檢測(cè)模塊位移傳感器和框架傾角傳感器的值，同時(shí)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖控制量。

2)通訊模塊：包括USB接口、RS-232通訊擴(kuò)充卡、觸摸屏、PC。PLC通訊接口通過(guò)雙向工作的總線、USB接口電路和RS-232實(shí)現(xiàn)與觸摸屏、PC之間的數(shù)據(jù)交換。

3)輸出模塊：包括伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服電機(jī)、編碼器、框架系統(tǒng)和故障報(bào)警電路。PLC通過(guò)輸出接口向伺服驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖控制量，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向，伺服電機(jī)通過(guò)自身編碼器向伺服驅(qū)動(dòng)電路反饋信息進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)帶動(dòng)框架系統(tǒng)完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)框架高度和水平姿態(tài)的高精度調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC向故障報(bào)警電路輸出警報(bào)信號(hào)。

4)檢測(cè)模塊：包括位移傳感器、傾角傳感器等。PLC通過(guò)模擬量輸入模塊接口接收傾角傳感器信號(hào)和位移傳感器信號(hào)，作為位置閉環(huán)控制的參考量。

2 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

為了保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可靠工作和防止過(guò)載，從受力方面考慮，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)必須克服如下力矩：偏心力矩、慣性力矩、干擾力矩。考慮實(shí)際應(yīng)用條件和工程設(shè)計(jì)的要求，需要選擇直徑、動(dòng)負(fù)荷、靜負(fù)荷、導(dǎo)程均滿足要求得絲杠。過(guò)大的力矩直接由電機(jī)產(chǎn)生的話，會(huì)有電機(jī)體積、重量大、功率大的問(wèn)題，為此本文在電機(jī)和絲杠之間增加適當(dāng)傳動(dòng)比為20的減速器，并設(shè)計(jì)了一種新的框架式大負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置如圖2所示。

圖2 框架式大負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置

這種框架式大負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接件、絲杠座、絲杠、高架、可回轉(zhuǎn)裝置組件、過(guò)渡件、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)軸座支架、固定板、內(nèi)框、外框。絲杠通過(guò)連接件與電機(jī)軸固連。絲杠座通過(guò)高架固定在外框上方。絲杠螺母與絲杠螺母座裝配成可回轉(zhuǎn)裝置組件。絲杠與內(nèi)框通過(guò)過(guò)渡件連接。過(guò)渡件一端固定在內(nèi)框上，另一端通過(guò)可回轉(zhuǎn)裝置組件與絲杠連接。旋轉(zhuǎn)軸承載載體、內(nèi)框和相應(yīng)附屬結(jié)構(gòu)的重量。旋轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸座支架固定于外框上方，另一端通過(guò)固定板固連在內(nèi)框上方。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)可回轉(zhuǎn)裝置組件和過(guò)渡件帶動(dòng)內(nèi)框連同負(fù)載繞旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對(duì)于外框的旋轉(zhuǎn)。選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，進(jìn)行如下量化計(jì)算。

1)偏心力矩的計(jì)算。

如圖3所示，根據(jù)力矩平衡，當(dāng)所需提升力最大時(shí)，有：

Fasinα·l1=Mgsinβ·l2+Mgcosβ·l3

(1)

圖3 力矩計(jì)算示意圖

經(jīng)測(cè)量得l1=634 mm，l2=500 mml3=500 mm，表示無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人重心偏離轉(zhuǎn)軸500 mm，取M=1 000 kg，α取運(yùn)動(dòng)中的最小值45°，當(dāng)β取最大值35°時(shí)，可得最大的提升力Fa=15 222.6 N。

可知選擇動(dòng)負(fù)荷大于15 300 N的絲杠即滿足要求，考慮實(shí)際應(yīng)用條件和工程設(shè)計(jì)要求，選擇直徑為40 mm，動(dòng)載荷為21 100 N，靜負(fù)荷為77 700 N的絲杠，此絲杠導(dǎo)程為5 mm。

由絲杠力矩與力的轉(zhuǎn)換公式有：

Ta=(Fa*I)/(2*π*n1)

(2)

式中，Ta為驅(qū)動(dòng)扭矩；Fa為軸向負(fù)載；I為絲杠導(dǎo)程；n1為進(jìn)給絲杠的正效率。

此時(shí)電機(jī)的輸出力矩將大大減小：

T1=Ta1/n

(3)

絲杠導(dǎo)程為5 mm，取n1=0.94，F(xiàn)a1=15 222.6 N，由公式(2)得出力矩大于Ta1=12.9 Nm即可產(chǎn)生最大力。如此大的力矩直接由電機(jī)產(chǎn)生的話會(huì)有電機(jī)體積大、重量大和功率很大的問(wèn)題，為此在電機(jī)與絲杠間增加了傳動(dòng)比n=20的減速器，這樣電機(jī)輸出力矩大于T1=12.9/20=0.645 Nm。

2)慣性力矩的計(jì)算。

設(shè)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速r，減速器的減速比為n,絲杠導(dǎo)程為I(單位：mm)則電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使絲杠產(chǎn)生的提升速度為：

(4)

設(shè)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，則電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使絲杠產(chǎn)生的提升速度為：

當(dāng)電機(jī)從啟動(dòng)開始加速到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，假定加速時(shí)間為t=0.5 s，且為均加速，則由V=at,知絲杠螺母的線加速度為a=v/t=2.5×10-2m/s2。

絲杠螺母帶動(dòng)內(nèi)框架產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即在絲杠線加速度牽引下，內(nèi)框架會(huì)產(chǎn)生角加速度。絲杠線加速度和內(nèi)框架角加速度的關(guān)系：

(5)

式中,R為可旋轉(zhuǎn)裝置到旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，當(dāng)R=500 mm時(shí)，則有：

載荷內(nèi)框架轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，則慣性力矩：

(6)

由內(nèi)框架、載荷的慣性力矩對(duì)絲杠產(chǎn)生的拉力為：

F1=M/R

(7)

由公式(7)得出F1=12.5/0.5=25 N。

由公式(2)計(jì)算得Ta2=(25×0.005)/(2×3.14×0.94)=0.02 Nm，絲杠上慣性力矩附加力矩轉(zhuǎn)換到電機(jī)的損耗力矩為：

T2=Ta2/n

(8)

減速比n=20,則轉(zhuǎn)換到電機(jī)的損耗力矩為T2=0.02/20=0.001 Nm。

3)干擾力矩的計(jì)算。

考慮到運(yùn)行過(guò)程中，框架可能受到的外界力、力矩的干擾，分析計(jì)算外界干擾產(chǎn)生地附加力矩。計(jì)算中假設(shè)內(nèi)框架邊緣受到G=100 kg的外界力干擾，干擾力到旋轉(zhuǎn)軸的距離為l=1 m,則此干擾引起絲杠附加拉力為：

(9)

由公式(2)計(jì)算的Ta3=(1 960×0.005)/(2×3.14×0.94)=1.66 Nm，絲杠轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換到電機(jī)上得力矩為：

T3=Ta3/n

(10)

減速比n=20,則轉(zhuǎn)換到電機(jī)的干擾力矩為T3=1.66/20=0.083 Nm。

綜上所述，考慮到偏心力、慣性力、和外界干擾，電機(jī)需克服的力矩綜合為：

(11)

由(11)式可見，T=0.645 Nm+0.001 Nm+0.083 Nm=0.792 Nm。這種驅(qū)動(dòng)方式比直驅(qū)方式對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩要求大大減小。

從工程應(yīng)用角度綜合考慮，本控制系統(tǒng)選擇額定輸出扭矩為4.782 Nm的交流伺服電機(jī)TSB13102B，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定輸出為1 000 W，并選擇與電機(jī)配套使用的TSTE30伺服驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)通過(guò)減速器傳到絲杠的力矩可達(dá)到20×4.782=95.64 Nm，能夠保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有較高的冗余度。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括基于PLC的手動(dòng)/自動(dòng)控制調(diào)試臺(tái)升降或旋轉(zhuǎn)程序的設(shè)計(jì)編寫、觸摸屏人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)開發(fā)和上位機(jī)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)等。總體控制流程圖如圖4所示。

圖4 總體控制流程圖

3.1 PLC控制程序的設(shè)計(jì)編寫

根據(jù)調(diào)試臺(tái)的主要功能要求對(duì)PLC輸入輸出地址進(jìn)行分配，詳見表1。同時(shí)，根據(jù)多功能調(diào)試臺(tái)的功能需求，分析確定PLC要實(shí)現(xiàn)的控制功能。

表1 PLC的I/O地址分配表

具體而言，PLC要實(shí)現(xiàn)的控制功能主要有：

1)實(shí)現(xiàn)與高度、傾角傳感器之間的數(shù)據(jù)通訊，高度尺、傾角傳感器用于檢測(cè)多功能調(diào)試臺(tái)的位置和姿態(tài)，并將檢測(cè)到的信息反饋給PLC控制器參與閉環(huán)控制。

2)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整多功能調(diào)試臺(tái)的高度和兩軸角度。利用控制柜前面的操作面板上的功能按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)試臺(tái)的升降和旋轉(zhuǎn)控制。

3)實(shí)現(xiàn)多功能調(diào)試臺(tái)自動(dòng)定位功能。通過(guò)對(duì)高度和角度當(dāng)前值和預(yù)設(shè)值之差的大小和符號(hào)進(jìn)行判斷，PLC程序自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)相應(yīng)伺服電機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)升降或旋轉(zhuǎn)。

4)實(shí)現(xiàn)多功能調(diào)試臺(tái)高度對(duì)角度的限制功能。為了保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，在人為設(shè)定的低位和高位時(shí)禁止調(diào)試臺(tái)進(jìn)行大角度旋轉(zhuǎn)，避免調(diào)試臺(tái)內(nèi)框架觸地或者負(fù)載觸碰外框架。

5)實(shí)現(xiàn)一鍵復(fù)位功能。為了對(duì)多功能調(diào)試臺(tái)的常用位置和姿態(tài)進(jìn)行方便、快捷定位，設(shè)置一鍵復(fù)位功能，可減少操作時(shí)間提高工作效率。

6)實(shí)現(xiàn)急停、報(bào)警等功能。當(dāng)伺服電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，控制面板和觸摸屏上的警報(bào)燈亮起以提醒操作人員；出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能夠通過(guò)急停按鈕瞬間停止調(diào)試臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

自動(dòng)運(yùn)行程序是整個(gè)多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。在進(jìn)行以上整體功能分析之后，設(shè)計(jì)自動(dòng)運(yùn)行的控制流程(如圖5所示)，并利用PLC編程軟件Ladder Master編寫自動(dòng)控制程序和其他不同功能模塊的控制程序。

圖5 PLC自動(dòng)運(yùn)行程序流程圖

3.2 觸摸屏顯示監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏作為多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，相對(duì)于傳統(tǒng)控制面板，可節(jié)省PLC的I/O模組、按鈕開關(guān)、數(shù)字設(shè)定、指示燈等，且能隨時(shí)顯示重要信息，以利于操作人員正確掌握機(jī)器狀況和避免錯(cuò)誤，利于維修。

結(jié)合多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)觸摸屏要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)預(yù)設(shè)值的輸入。要求能在觸摸屏上輸入預(yù)設(shè)的調(diào)試臺(tái)高度值、兩軸角度值以及預(yù)設(shè)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度值。

2)實(shí)時(shí)顯示位移傳感器的讀數(shù)，即調(diào)試臺(tái)的高度值。

3)實(shí)時(shí)顯示多功能調(diào)試臺(tái)內(nèi)框架和中框架的兩軸角度值。

4)報(bào)警功能。當(dāng)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)或者電機(jī)旋轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，觸摸屏應(yīng)該能給出報(bào)警信號(hào)以提醒工作人員。

5)復(fù)位設(shè)置。要求通過(guò)觸摸屏能對(duì)復(fù)位位置值進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定從而實(shí)現(xiàn)一鍵復(fù)位功能。

6)運(yùn)行到位指示功能。要求多功能調(diào)試臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行到位后，相應(yīng)到位指示燈亮。

綜合以上功能，利用軟件ix Developer 2.0設(shè)計(jì)可視化的界面，觸摸屏顯示界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 觸摸屏主菜單界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性，在完成以上一系列的軟硬件分析和設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的調(diào)試和試驗(yàn)。多功能調(diào)試臺(tái)系統(tǒng)主要由電控柜和機(jī)械臺(tái)體兩部分構(gòu)成，是一套復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，在進(jìn)行兩部分聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，很有可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。為了保證整個(gè)系統(tǒng)能可靠地運(yùn)行，應(yīng)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的組裝實(shí)驗(yàn)，完成系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試和模擬試驗(yàn)，然后進(jìn)行多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試，并進(jìn)行空載和加載性能測(cè)試。

1)PLC控制程序的調(diào)試與試驗(yàn)。在進(jìn)行多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，將整個(gè)程序按照功能劃分成了數(shù)據(jù)解析及通訊、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制等不同的子程序模塊，因此，在進(jìn)行PLC控制程序的調(diào)試時(shí)，可先對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行調(diào)試，然后再調(diào)試整個(gè)PLC程序，具體包括PLC基本邏輯的調(diào)試、傳感器數(shù)據(jù)解析及通訊程序的調(diào)試和電機(jī)控制的調(diào)試等。

同時(shí)，PLC編程軟件Ladder Master提供聯(lián)機(jī)監(jiān)看和強(qiáng)制功能，所以進(jìn)行聯(lián)機(jī)之后就可以對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行監(jiān)看，PLC在線監(jiān)看界面如圖7所示。通過(guò)強(qiáng)制功能，可以改變PLC輸入接點(diǎn)、輔助繼電器的狀態(tài)或者內(nèi)部寄存器中的數(shù)值，為PLC程序的調(diào)試提供了很多便利。

圖7 PLC聯(lián)機(jī)監(jiān)看

2)觸摸屏的調(diào)試與試驗(yàn)。將觸摸屏與PLC控制器聯(lián)接，結(jié)合多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況，對(duì)已編寫的觸摸屏程序進(jìn)行在線修改和調(diào)試。在線調(diào)試之前，首先利用網(wǎng)線連接計(jì)算機(jī)與觸摸屏，將已編寫的觸摸屏項(xiàng)目從計(jì)算機(jī)下載到觸摸屏中，通過(guò)編輯、連接、確認(rèn)目標(biāo)，下載觸摸屏項(xiàng)目數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)下載成功之后，再利用通訊電纜聯(lián)接觸摸屏與PLC控制器，觸摸屏自動(dòng)重啟，啟動(dòng)之后，通過(guò)觸摸屏界面上的各個(gè)功能按鈕控制PLC程序的運(yùn)行。

3)電機(jī)控制調(diào)試與試驗(yàn)。對(duì)電機(jī)進(jìn)行基本的控制調(diào)試，主要包括啟動(dòng)和停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)定、互鎖功能等。通過(guò)控制柜前面板的手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕選擇手動(dòng)模式，測(cè)試電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)邏輯；然后更改為自動(dòng)運(yùn)行模式，通過(guò)在線監(jiān)看程序控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；接下來(lái)通過(guò)觸摸屏的操作界面設(shè)置脈沖頻率，觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率是否與設(shè)定的速度變化一致；最后進(jìn)行互鎖功能驗(yàn)證，手動(dòng)模式下同時(shí)按下正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕，觀察電機(jī)是否停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4)整體控制調(diào)試。結(jié)合多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的具體功能，對(duì)手/自動(dòng)調(diào)整多功能調(diào)試臺(tái)位置和姿態(tài)的控制調(diào)試，觀察調(diào)試臺(tái)是否能夠按照手動(dòng)程序、自動(dòng)程序執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)升降和兩維旋轉(zhuǎn)。

5)空載調(diào)試與加載調(diào)試。在承載大型無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人進(jìn)行裝配、調(diào)試試驗(yàn)之前，先在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多功能調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)的空載調(diào)試。主要包括檢查硬件連線、標(biāo)定傾角傳感器的信號(hào)、故障和信號(hào)響應(yīng)試驗(yàn)等。在空載調(diào)試之后，利用輔助安裝移動(dòng)平臺(tái)將無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人安裝到調(diào)試臺(tái)內(nèi)框架上并固定，即可進(jìn)行加載調(diào)試和試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)以上調(diào)試、試驗(yàn)和試運(yùn)行，該調(diào)試臺(tái)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全部預(yù)定功能且運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

以用于大型無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)器人的多功能調(diào)試臺(tái)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了滿足調(diào)試臺(tái)各項(xiàng)功能的一套基于PLC、觸摸屏和伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了硬件安裝與系統(tǒng)調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和可行性。驅(qū)動(dòng)方案上采用基于交流伺服電機(jī)的全電動(dòng)方案，設(shè)計(jì)了一種新的框架式大負(fù)載旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，相比傳統(tǒng)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大大減小了對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的要求，減小了電機(jī)體積和重量，增加了設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性。