三自由度工业用机械手控制系统设计论文.docx

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三自由度工业用机械手控制系统设计论文

宁波理工学院

毕业设计（论文）

题目三自由度工业用机械手控制系统设计　　　　　　

姓名

学号

专业班级

指导教师

分院成人教育学院　

完成日期2017年4月X日

摘要

机械手是机器人研究的热门领域之一，不仅在工业还在其它行业都发挥着越来越大的作用。

而且随着工业生产自动化程度的不断提高，工业机械手在生产现场的流水线中扮演着越来越重要的作用，现在已成为现代化工业生产中不可缺少的重要环节。

本文在了解机械手和PLC控制技术的国内外研究现状及发展趋势基础上，而选用了三自由度机械手作为控制对象进行研究。

本文基于控制和计算机监控的相关理论，根据工业机械手的控制要求，完成了其运动控制设计以及组态监控系统构建，对控制系统的总体构造、控制流程以及构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究。

关键词:

三自由度机械手；PLC；控制系统；工业生产

Abstract

Robotisoneofthehotareasofrobotresearchandisplayinganincreasinglyimportantrolenotonlyinindustrybutalsoinotherindustries.Atthesametime,withthecontinuousimprovementofindustrialproductionautomation,industrialrobotsintheproductionsiteofthepipelineplaysanincreasinglyimportantrole,hasbecomeanindispensablemodernindustrialproductionimportantlink.

BasedontheresearchstatusanddevelopmenttrendofrobotandPLCcontroltechnology,thispaperchoosesthree-degree-of-freedommanipulatorasthecontrolobject.

Basedonthetheoryofcontrolandcomputermonitoring,thispapercompletesitsmotioncontroldesignandconfigurationmonitoringsystemconstructionaccordingtothecontrolrequirementsofindustrialmanipulator.Theoverallstructureofthecontrolsystem,thecontrolflowandthefunctionandcontrolmodeofeachmoduleconstitutingthesystemWerestudied.

Keywords:

Threedegreesoffreedommanipulator;PLC;ControlSystem；Industrialproduction

目录

摘要II

AbstractIII

目录IV

1.引言1

1.1研究机械手的意义1

1.2机械手的组成和分类2

1.2.1机械手的组成2

1.2.2机械手的分类3

1.3机械手的国内外研究现状3

1.3.1机械手的国外研究现状3

1.3.2机械手的国内研究现状3

2.机械手控制系统总体设计方案5

2.1工业机械手的工艺流程5

2.2工业机械手的运动参数分析6

2.3工业机械手的总体模块设计6

2.3工业机械手的总体模块概述7

2.3.1控制器模块8

2.3.2驱动模块8

2.3.3执行模块8

2.3.4传感器模块8

3.机械手硬件系统的设计10

3.1硬件系统的结构10

3.2伺服控制系统设计11

3.3气动控制系统设计11

3.4机械部件设计12

3.5传感器设计12

4.PLC控制器的设计14

4.1PLC控制器的特点14

4.2PLC控制器的程序设计14

4.2.1PLC回原点程序14

4.2.1PLC手动程序操作示意15

4.2.2PLC自动程序操作示意15

参考文献17

致谢18

1.引言

1.1研究机械手的意义

工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。

机械手的迅速发展是由于它具有的积极作用正日益为人们所认识：

首先，它能部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和卸载；最后，它能操作必要的机具进行辉接和装配。

伴随着现代工业生产的迅速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。

因而对机械手的控制要求也越来越高，如果采用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。

针对这些问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器（PLC）设计其控制系统，可使该系统的运行可靠性高、故障率低、维修方便，并且可以取得良好的工作效。

ProgrammaleLogicalＣontroller简称为PLC，近年以来PLC逐渐以微处理器作为中央处理单元，不仅具有逻辑控制，还有算数模拟等功能。

它的工作原理如图1-1所示。

图1-1PLC的工作原理

1.2机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手一般由控制器、驱动模块、执行机构、位置检测传感器等部分组成。

在其中控制器是机械手系统的核心，它对整个系统的运行起控制决策作用，其主要功能是按照程序要求控制各种驱动设备和执行机构，驱动工业机械手按照预定的动作要求完成相应的动作；驱动模块由动力源和辅助装置组成，作为执行机构的驱动源，为工业机械手的运动提供动力来源。

目前较为普遍的驱动方式有电力方式驱动、液压方式驱动、气压方式驱动和机械方式驱动；执行机构完成机械手的执行动作，目前机械手较为常用的执行机构有手抓、夹钳和吸盘等；位置检测传感器主要用于检测机械手的位置，并将位置信息实时反馈给控制器，构成闭环控制系统，能实现较为精确的定位。

常用的机械手控制系统的组成原理图如图1-2所示。

图1-2常用的机械手控制系统的组成原理图

1.2.2机械手的分类

关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的标准，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。

若按照驱动方式进行分类，机械手可以分为液压传动机械手、气压传动机械手、电力传动机械手、机械传动机械手等。

1.3机械手的国内外研究现状

1.3.1机械手的国外研究现状

美国是机器人的诞生地，并且每次机器人的更新换代，都是以美国的机器人产品为导向的，经过半个世纪的发展，目前依然是世界上机器人技术最先进的国家之一，凭借其全面和先进的技术、良好的适应性等特性，美国的机器人技术一直处在世界领先水平。

日本一有机器人王国之称，其机器人的数量和密度都是世界第一的，上世纪80年代至90年代，日本的机器人进入全盛时期，之后20世纪以来，伴随着亚洲国家对于机器人的巨大需求，日本机器人的发展重新焕发生机，将迎来一个新的发展阶段。

德国、法国和英国是欧洲三个最大的机器人市场，目前德国的机器人数量仅次于日本，居世界第二位。

德、法、英的工业机器人的发展，政府的引导和促进发挥了重要作用。

1.3.2机械手的国内研究现状

我国现有的机器人研究机构和相关单位已经超过200余家，其中，从事工业机器人研究及其产业化发展的超过80家。

目前这些科研机构和单位已经能够基本掌握控制系统的硬件构造原理及实现、软件算法设计、运动学和运动轨迹规划等，开发出的工业机器人中有90%以上用于生产实际之中，根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2018年，我国机器人市场容量将达几百万台套。

虽然我国对于工业机器人的数量有刚性的需求，但是国内生产的工业机器人无论是在产品的性能、技术水平以及规模产业等方面与国外还存在着较大的差距。

究其原因，一方面是因为我国在发展工业机器人过程中，忽略了与企业相结合，导致很难结合实际进行研发，实用性方面较差；另一方面是我国关于工业机器人的研究方法和研究策略，一直走的是引进和学习外国的技术，然后在此基础上做开发和研究，这样就造成自主创新技术和创新意识的缺乏，很大程度上制约了我国工业机械手产业的发展。

2.机械手控制系统总体设计方案

本章主要阐明了机械手控制系统的工艺流程，由此提出了大体的设计方案，且对组成系统的各个模块作了一般的概述。

采用组件化的思想进行系统构建，发挥各个模块的优点，实现高效和集成化程度高的系统建立，对工程人员实现较优化的控制有重要意义。

2.1工业机械手的工艺流程

本设计耍求在流水线、空位和导轨之间设置一个机械手，用以完成工件在三个工位之间的空间位置转换。

根据系统的控制要求，机械手能够以手动和自动两种方式完成工件的搬移工作。

对于手动控制方式，按照点动的方式进行，手动控制按钮有手动右移、手动左移、手动前进、手动后退、手动上升、手动下降、手动吸附和手动松开，按下相应的按钮，机械手分别执行机械手臂轴右移、轴左移、轴前进、轴后退、轴上升、轴下降、吸盘吸附、吸盘松开动作。

其主要的功能实现示意图应该如图2-1所示：

图2-1机械手控制系统原理图

图2-2机械手工作流程示意图

如图2-2所示对于机械手而言能够让手臂按照X轴取样品，通过转杠来旋转位置，在Y轴上平移移走样品，最后控制手臂释放样品。

2.2工业机械手的运动参数分析

据流水线的具体资料分析我们可以机械手的运动参数的分析设计：

1、最大工作半径：

1600mm；

2、手臂运动参数，

手臂最大中心高度：

900mm；

伸缩行程：

800mm；伸缩速度：

小于200mm每秒；

升降行程：

300mm；升降速度：

小于60mm每秒；

摆动范围0~180°；摆动速度：

小于70°每秒；

3、定位精度：

-3mm~+3mm；

4、驱动方式：

气压（中、低压方式）

5、手指加持范围：

50~100mm；

6、手腕运动参数：

回转范围：

0~180°；回转速度：

小于90°每秒。

2.3工业机械手的总体模块设计

在本设计中，将系统分成各个不同的组成模块，通过有机组合实现系统功能。

系统大致由以下几个部分组成：

上位机监控系统、运动控制模块、驱动模块、执行部件模块、传感器模块等。

其中，上位机监控系统通过与现场数据的实时交换，实现对系统的监控功能；运动控制模块主耍用以实现运动程序的控制要求以及发送控制命令，实现对执行部件的控制；驱动模块为各执行部件提供动力；执行模块主耍是为完成作业要求，实现各种运动的机械部件。

各模块间的相互关系如图2-3所示。

图2-3机械手各模块示意图

系统由上述几个模块协调工作，共同完成系统的控制任务。

控制面板装有自动手动控制方式转换开关、手动控制按钮、停止等按钮。

系统的控制核心是可编程控制器，外部信号和控制面板上的幵关、按钮等通过控制电路接入可编程控制器的输入端，通过控制器内的控制程序输出控制结果，做出相应的输出响应，经输出控制电路驱动伺服系统和气动系统；伺服系统和气动系统动作，驱动机械部件进行运动，将工件取至需要放置的