基于PLC控制的两关节机械手运动仿真.docx

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基于PLC控制的两关节机械手运动仿真

惠州学院

HUIZHOUUNIVERSITY

毕业论文（设计）

中文题目：

基于PLC控制的两关节机械手运动仿真

英文题目：

TheMotionSimulationofTwoJointManipulatorBasedonPLCControl

姓名：

学号：

专业班级：

指导教师：

提交日期：

教务处制

基于PLC控制的两关节机械手运动仿真

黄亮亮08电气信息工程

（2）班指导老师：

郑继红讲师

摘要

机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。

较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。

关键词：

机械手两关节步进电机驱动PLC

TheMotionSimulationofTwoJointManipulatorBasedonPLCControl

Abstract

Manipulatoristobeabletoimitatemanpowermovement,andaccordingtosetprogram,locusandrequirementsubstitutemanpowertograb（inhale）,takethingsortoolortheautomationinstallationthatoperated，itcanbepartialtoreplacethehandworklaborofperson.Themanipulatorofhigherleveltypecanstillimitatethearmmovementofperson，completesmorecomplexwork.Inmechanicalmanufacturingindustry,manipulatorhasbeenappliedextensively，soimprovedthelaborconditionofworkergreatly,raisinglaborproductivitynotably,quicklyrealizethestepofindustrialproductionmechanizationandautomation.Inourcountry,industrialmanipulatorhasmorerapiddevelopmentinrecentyears,haveputinplentyofmanpowermaterialresourcestostudyandapply，andgetverygoodeffect.Theproblemofthisprogrammajorresearchis"thedesignofmanipulatorarmmovingautomaticallyincloserange--thedriveofatmosphericpressure".Designincludestwobigaspects,oneispushcartmovepart,theotheristheoperationofarm.TheybothWithsamedriveenergy--airpump.Walkpartcandrivetwowheelstoturnwiththemotorofatmosphericpressure.Thepumpofatmosphericpressurefixedincertainplace,useaflexibletubelinkedthepumpandmotor,motorinstallationinwalkpart.Themovementofarminstraightlinerealizeswithcylinder,revolvingmovementrealizeswiththemotorofatmosphericpressure.Walkingarmdonotmove,whenthearmmoving,walkpartstopsport.

Keywords:

manipulatortwojointsthedriveofthesteppermotorPLC

目录

1绪论4

1.1机械手的发展概况与发展趋势4

1.2应用机械手的意义2

1.3本文研究内容2

2PLC和机械手简介4

2.1PLC简介4

2.1.1PLC发展历史4

2.1.2PLC基本结构4

2.1.3PLC工作原理5

2.2机械手及其组成7

2.2.1机械手概念7

2.2.2机械手的组成7

2.3机械手的分类8

2.4对机械手的一般要求8

3机械手设计方案10

3.1机械手的主要结构10

3.2机械手的规格参数10

3.3设计手臂结构应注意的问题11

4机械手控制算法及原理13

4.1机械手角度计算13

4.2控制原理14

4.3规格参数15

5硬件设计16

5.1硬件单元16

5.2系统硬件连接图18

5.3系统输入口分配18

6软件设计20

6.1FX2N-1PG模块20

6.2FX2NPLC与特殊功能模块之间的读/写操作22

6.2.1特殊功能模块读指令22

6.2.2特殊功能模块写指令23

6.3寄存器功能描述23

6.4控制程序原理图24

6.5梯形图25

6.6指令语句表27

7系统仿真29

7.1轨迹规划的概述29

7.2机械手数学模型的建立29

7.3两关节机械手运动方程的建立31

7.4机械手逆向运动方程的建立31

7.5Matlab仿真32

8结论35

致谢36

参考文献37

1绪论

1.1机械手的发展概况与发展趋势

机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。

机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机械手的研制。

智能机械手涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对发展这一新技术都很重视。

气动技术作为机械手中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统已被接受。

由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机械手的实用性已经充分体现出来。

因为气动伺服定位技术一出现，就受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机械手、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。

研制具有一定"感触"和"智力"的智能机械手。

这种机械手，具有各种传感装置，并配备有计算机。

根据仿生学的理论，用计算机充当起"大脑"，使它能"思考"、能"分析"、能"记忆"。

用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为"眼睛"，在其"视野"的范围内能"看"。

用听筒和声敏元件等作"耳朵"能"听"。

用扬声器等作"嘴"能"说话"进行"应答"。

用热电偶和电阻应变仪等作"触觉"能"感触"。

用滚轮或双足式的行走机构作为"脚"来实现自动移位。

这样的智能机械手，可以由人用特殊的语言对其下达命令，布置任务。

受令后的智能机械手，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地"分析"和"判断"并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。

因此，它将成为"无人化"系统的重要组成环节之一。

1.2应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。

在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。

其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的：

一、可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、可以改善劳动条件、避免人身事故。

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的。

而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减少人力，并便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。

综上所述，有效地应用机械手，使发展工业的必然趋势。

1.3本文研究内容

本文介绍的PLC是可编程序控制器（ProgrammableLogicController）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。

目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。

本文将通过对PLC控制机械手的系统设计使读者更进一步的认识PLC技术。

2PLC和机械手简介

2.1PLC简介

可编程控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.1.1PLC发展历史

20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：

（1）它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。

（2）它能把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。

但编程要比计算机简单易学、操作方便。

（3）系统通用性强。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。

其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。

其定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

2.1.2PLC基本结构

可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。

输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。

PLC的基本结构如图21所示：

图21PLC基本结构图

2.1.3PLC工作原理

由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。

PLC则是采用循环扫描的工作方式。

对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：

一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个扫描周期主要可分为3个阶段。

（1）输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。

在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。

（2）程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。

（3）输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。

由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。

实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。

综上述，PLC的扫描工作过程如图22所示。

图22PLC扫描工作过程

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。

扫描周期越长，响应速度越慢。

由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。

这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。

但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。

总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。

2.2机械手及其组成

2.2.1机械手概念

机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。

2.2.2机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

（1）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1）手部即与物件接触的部件。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

2）手腕是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

3）手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4）立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

5）行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。

滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6）机座它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。

7）其它部分行程检测装置和传感装置等。

行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。

传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。

（2）运动机构

使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

2.3机械手的分类

（1）按机械手的使用范围分类：

1）专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。

它从属于某种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。

这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

2）通用机械手（也称工业机械手）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

（2）按机械手的驱动方式分类：

1）液压驱动机械手以压力油进行驱动。

2）气压驱动机械手以压缩空气进行驱动。

3）电力驱动机械手直接用电机进行驱动。

4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

（3）按机械手臂力大小分类：

1）微型机械手臂力小于1公斤。

2）小型机械手臂力为1～10公斤。

3）中型机械手臂力为10～30公斤。

4）大型机械手臂力大于30公斤。

（4）按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

2.4对机械手的一般要求

（1）降低机械手的成本

为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。

据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。

（2）品种多样化

为了适应不同工作的需要，应使的机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。

特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手。

（3）零件、部件系列化、通用化、标准化

为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。

这样，就要求机械手的某种零件、部件（如手部、臂部等）系列化、通用化、标准化。

然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件（或再相应地增加一些其它零件、部件）进行组合，组成需要的机械手。

当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合。

（4）产品性能应准确可靠

机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。

为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。

3机械手设计方案

3.1机械手的主要结构

本次设计的机械手需要通过步进电机来驱动的，如图31所示。

图31机械手的结构

机械手主要由起固定支撑作用的底座、转盘以及关节和手臂四部分组成。

气动机械手能够实现3个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有3个原动件，因此可得有3个自由度）的运动，其各自的自由度的驱动全部由步进电机来驱动，从而实现各自关节的转动，使机械手在XY平面上运动，根据合理的控制，使机械手到达任意位置，最终实现机械手的动作要求。

3.2机械手的规格参数

运动速度是机械手主要的基本参数。

操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低则限制了它的使用范围。

而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

该机械手最大移动速度设计为1200毫米/秒，最大回转速度设计为1200/秒。

平均移动速度为1000毫米/秒，平均回转速度为900/秒。

机械手动作时有起动、停止过程的加、减速度存在，用速度-行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

则手臂前后伸缩平均速度为1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度为500毫米/秒，手臂回转平均速度为900/秒。

除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。

大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。

过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而使刚性降低。

在这种情况下宜采用自动传送装置为好。

据统计和比较，该机械手手臂的最大工作半径为500毫米，机械手臂定位和缓冲采用机械挡块和缓冲器定位；定位精度为±0.5~±1毫米。

3.3设计手臂结构应注意的问题

手臂的结构形式是根据机械手的抓取重量、自由度数、运动速度、工作范围、定位精度以及机械手的整体布局等因素决定的。

手臂结构是否设计的合理，对机械手的工作性能有着很大的影响，在设计手臂结构是，除了考虑上述诸因素外，还应注意以下几点：

（1）应使手臂刚度大、重量轻

由于机械手的手臂一般悬伸长度比较长，若手臂的刚度不够时，会发生手臂弯曲变形过大，就会引起手臂的定位不准，而且也直接影响活塞杆（即手臂）运动的灵活性。

另外，手臂在起动或制动过程中受到惯性力或惯性力矩的作用，手臂将发生颤动，由于手臂的颤动，也会影响手臂的定位精度，除了采用可靠的定位装置外，应对手臂结构有一定的刚度要求，才能保证手臂的准确的工作和一定的定位精度。

（2）应使手臂运动速度快、惯性小

为了减小惯性冲击，一般采取的措施有：

1）手臂架选用铝合金等轻质材料来制造，以减轻手臂运动件的质量。

2）尽量缩短手臂悬伸部分的长度，使手臂未伸出时的总重量的重心偏于伸缩方向的反侧，以减小回转半径。

3）减小手臂运动件的轮廓尺寸，使其结构紧凑。

4）在驱动系统中增设缓冲装置，使运动件减速缓冲。

（3）手臂动作应灵活

为使手臂运行轻快、灵活，除手臂本身结构紧凑轻巧外，应减少手臂运动件之间的摩擦阻力，用滚动摩擦代替滑动摩擦，以减少对升降支承轴线的偏重力矩，使手臂运动灵活，防止发生"卡死"（即自锁）现象。

（4）应使手臂传动准确、导向性好