最新版基于PLC的机械手模型控制系统的毕业设计论文.docx
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最新版基于PLC的机械手模型控制系统的毕业设计论文
基于PLC的机械手模型控制系统的设计
摘要
PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。
本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。
自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。
机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。
机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。
机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
关键词：
机械手；PLC；变频器；伺服控制器；
DesignofManipulatorModelControlSystembasedonPLC
Abstract
PLCisbasedonmodernmicroprocessortechnologyasthecoreofthecontroller,asageneralindustrialcontroller,itslargescaleintegratedcircuittechnology,thestrictproductioncraftmanufacture,internalcircuittakeadvancedanti-interferencetechnology,addition,PLCwith,failurecanbetosendoutawarningmessage;PLCadoptsphotoelectricisolationandfilteringtechniquestechnologyeffectivelyrestraintheinterferencesourcestotheinfluenceoftheexternalPLC,inadditionPLCstillcanbeinstrong,thegeneralgood;Shortdevelopmentcycle,powerconsumptionissmall.Thistopictothedevelopmentofthemodernindustryisanimportantmeaning.
Intheindustrialproductionandotherfieldsbecauseoftheneedtowork,peopleareoftenandpoisonousgasofthefactorssuchasendangerlife.Sincetheadventsincemanipulator,thecorrespondingproblemssolved.Inthespacemanipulatorcancatch,put,movingobjects,flexiblemovement,andissuitablefortheproductionofvarietiesofcantransformandsmallbatchautomationproduction,widelyusedinflexibleautomaticline.Robotsareusuallymadeofofmaterials,inordertoadapttothesiteofthebadenvironment,andgreatlyreducethelaborintensity,andimproveworkefficiency.Manipulatorisanimportantpartoftheindustrialrobot,andinmanycasesitcanbecalledindustrialrobots.Industrialrobotisacollectionofmachinery,electronics,control,computer,sensors,artificialintelligencescienceadvancedtechnologyinoneofthemodernmanufacturingimportantautomationequipment.Widelyusedindustrialrobots,notonlycanimprovethequalityofproductsandproduction,andtoensuresafetyandsecurity,improveworkingenvironment,reducelaborintensityandimprovelaborproductivity,savethematerialsconsumptionandreducetheproductioncost,theproductdevelopment,graduallydevelopedintowithsmalldeviceforprocessingthecoreautomationtechnology,computertechnology,communicationtechnologyintegrationofnewindustrialautomaticcontroldevice.
Keywords:
manipulator;PLC;Variable-frequencyDrive；servodrives；
目录
摘要1
Abstract1
第一章绪论3
1.1国内外机械手研究概况3
1.2课题研究的内容5
第二章系统硬件设计7
2.1机械手控制方式的选择7
2.1.1控制方式的分类7
2.1.2机械手控制方式的选定7
2.2总体方案设计8
2.2.1方案设计8
2.2.2参数10
2.3系统架构及工作流程图10
第三章传动带传动及控制系统的设计12
3.1传动带系统构件概述12
3.2电动机的介绍及选用12
3.2.1电动机选用及运行参数12
3.2.2电力拖动系统及变频调速13
3.3传感器14
3.3.1光电传感器的分类14
3.3.3常用参数17
3.3.4光电传感器选用18
3.4变频调速及变频器的选用18
第四章物件搬运系统的设计23
4.1总体设计思路23
4.2气缸的介绍及选用24
4.3伺服电机和伺服控制器的选用25
第五章软件系统软件设计25
参考文献26
致谢27
第一章绪论
1.1国内外机械手研究概况
在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。
自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。
随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。
比如美国OI公司的产品，可针对单一项目，次序加4种试剂，加热温度也提高到50℃，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。
有专家估计未来10年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有50％被全自动化学分析机械手取代。
通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。
由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。
对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。
机械手不能完全取代流动分析产品一个重要的理由是：
一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。
正如一句广告语所讲的“没有最好，只有更好”。
且现代化的注塑机常常配置有机械手，以提高生产效率。
注塑机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。
注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。
随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。
电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。
20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:
1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:
4，甚至接近5:
5。
我国的气动行业起步较晚，但发展较快。
从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。
随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”’。
而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。
车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。
对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。
气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。
如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。
如：
气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。
目前机械手技术有了新的发展：
出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。
机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
1.2课题研究的内容
1.2.1课题介绍
本次设计是基于PLC的传送带机械手控制系统。
在这个系统中，有两条传送带。
当物件A（十个啤酒瓶）放置在甲传送带上，传送到快要接近机械手的时候时，在实现自动减速并前停止在机械手的正下方。
机械手自动前伸、降下对准物体，通过活动气缸促使滑板移动，从而夹紧抓起物件，再通过翻转将A物体移至乙传动带上方放下物件，物件A由乙传送带运走，并在需要的时候自动减速、停止。
在机械手抓起物件后，甲传送带继续运行并且将下一个物件运至机械手的正下方。
机械手放下物件在乙传送带后自动返回原位抓起下一个物件。
如图1－1：
图1－1
第二章系统总体设计方案
2.1机械手控制方式的选择
2.1.1控制方式的分类
传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：
（1）仅适合于简单的逻辑控制；
（2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；（3）没有改动和优化的可能性。
伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：
（1）硬件上至少有一个微处理器；
（2）通过软件实现控制思想。
目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：
（1）可编程序逻辑控制器（PLC）；
（2）工业控制计算机（IPC）；（3）集散控制系统（DCS）。
2.1.2机械手控制方式的选定
在工业自动化生产中常用的控制系统有：
传统的继电器——接触式控制系统、PLC控制系统和微机控制系统这三种。
但从使用性、经济性、可靠性出发，本设计选用了PLC。
因为从上述该机械手所需完成的控制动作分析来看，本机械手是用于各种传感器在复杂的条件下工作的传输，主要动作是上升、下降、左移、右移、翻转、夹紧、放松和工序延时控制等，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主。
是属典型的机电逻辑顺序动作控制系统，这是PLC最擅长的功能，而且PLC具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等特点，特别是代替继电器控制系统，这更是它的优势。
PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。
PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力。
编程安装使用简便、低价格长寿命。
比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。
PLC具有很多的优点。
机械手控制系统若采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。
由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。
机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。
同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。
综上所述，机械手的控制方式选择PLC控制。
2.2方案设计
2.2.1方案设计
为了实现既定目标主要是要解决3个问题：
传送带物件自动减速停止的实现；机械手自动抓取放置返回的实现；传送带、机械手再启动的条件。
其整体结构入如下（图1-2）：
传送带物件自动停止的实现主要是采取光传感器的使用，在传感器检测到物件后，发送信息给PLC，由PLC通过变频器控制电机实现传送带的减速、停止功能。
机械手移动抓取是通过PLC控制电磁阀对汽缸进行充气来控制机械手的上下左右移动，并使用PLC的定时功能实现抓放功能。
传送带、机械手的自动启动停止是PLC直接控制。
图2-2整体结构框图
这里采用的是西门子的PLC，因为整个系统的工作流程是一环环相套的。
都是由前一个状态触发后一个状态，所以这里采用的是步进控制系统，传感器、机械手的限位作为输入信号，控制信号作为输出信号。
在整体的设计构思中，全部以工业实际应用的效果为出发点，所以要低成本，高效率、高安全性和稳定性。
同时考虑到这种传送带机械手工作单元是流水线上使用较多的基础单元，所以在传感器的选取、机械手的控制方式上采用了较常见和简单的设计。
这样可以让使用范围更宽阔。
如果有更为精确的需要，只要将其中的一些部件按照精度要求更换即可。
2.2.2参数
三相异步电动机：
功率为1KW最大转速为900转分钟
传送带宽度：
30CM
传感器有效范围1.5M
变频器
伺服电机
伺服控制器
2.3系统架构及工作流程图
根据此次设计所要实现的目标，可以将整个工作单元分成三个运行系统：
1、传送带传动调速系统；2、物件搬运系统；3、各部分硬件的自动控制系统。
其中，自动控制系统又可以称为中央控制系统，由一个中央处理器（这里使用可编程控制器即PLC）为主控单元，接受从信号采集器件即传感器处采集来的信号，经过处理发送给各部分硬件执行相应的操作。
从而实现传动系统的调速功能和机械手的搬运动作等。
具体系统工作流程图如下：
（图2-3）
图2-3工作流程图
第三章传动带传动及控制系统的设计
3.1传动带系统构件概述
传送带传动及调速系统是实现将物件传送至相应位置并在需要的时候能实现自动减速、停止功能的系统。
由电动机，信号采集器，调速控制器、传送带4个部件构成。
电动机提供传送带传送的源动力，信号采集器采用光传感器进行信号采集，调速控制器采用变频器调速方式。
在指定的位置安装光传感器后，物件传送到相应位置被传感器检测到后，由传感器将此信息传送给中央处理器件----PLC，再由PLC发出指令给变频器，由变频器控制电机的转速达到实现传送带减速、停止的功能。
下面详细介绍各个部件的工作方式及选取。
3.2电动机的介绍及选用
交流电动机诞生于19世纪末,由于它具有控制方便、适应性强、维护便利等一系列优点，所以很快成为工业社会的重要核心，是传动系统中的主力。
同时根据不同生产过程的需要，孕育了各种各样的电动机调速装置和技术，并逐步得到打发展。
3.2.1电动机选用及运行参数
本次设计的设定，电动机采用的是三相异步电动机，需求功率为1KW，转速为900转分钟。
所以选择YP2-100L-6型电动机
其主要参数如下：
型号
YP2-100L-6
额定功率（KW）
1.1
额定电流（A）
3.0
额定转矩（N.M）
11.2
额定转速（rmin）
910
最大转矩额定转矩
2.2
转动惯量（kgm2）
0.0069
重量（kg）
27
3.2.2电力拖动系统及变频调速
电动机是电力拖动系统中的原动机,它将电能转化为机械能,去拖动各种类型生产机械的工作机构运动,以实现各种生产工艺的要求,如驱动轧钢机的轧锟,起重机的提升机包括本次设计所实现的传送带传动系统等等.电力拖动系统的组成如图2-2所示:
图3-1
这里的调速采用变频调速，由传感器采集信号送PCL控制变频器完成，上图中的电器控制设备一处可细分为如下流程（图3-2）：
图3-2
伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
3.3传感器
传感器是现在及将来在自动化控制系统中最为重要的一个单元，其可以将外界模拟量的变化转化为电信号的输出，从而实现了一个工作系统针对外界的变化而做出相应控制动作的功能。
在本次设计中，由于需要采集的信息是物体的移动，所以采用的是光电传感器，光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。
在机械手和传送带自动控制系统中实现自动控制的信息采集作用。
3.3.1光电传感器的分类
图3-3
1）漫反射型
影响检测的因素：
安装角度；测量物体的颜色；振动
优点：
安装最简单，方便
缺点：
漫反射光电传感器是检测最不稳定的。
图3-4漫反射型传感器
2）回归反射型
影响检测的因素：
被测物的光主亮度；反光镜的安装角度
97年前，以上两方面确实是回归型传感器存在的影响因素。
但后来该类型传感器增加了P.R.O功能：
即
该功能的一个重要特点就是：
反光镜可以把纵波转换为横波。
发射器发射的是纵波，而接收器只能接收横波。
发射器发射的纵波经过反光镜把纵波转变成横波，由接收器接收。
由于物
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