基于QD75四自由度搬运机械手的设计毕业设计.docx
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基于QD75四自由度搬运机械手的设计毕业设计
基于QD75四自由度搬运机械手的设计毕业设计
基于QD75四自由度搬运机械手的设计
摘要
近年来，随着科技的快速发展，PLC运动控制的产品得到了快速的发展。
在一些高危险的领域中，为了减少工人劳动量，避免事故的发生，机械手得到了广泛的应用。
用PLC控制的机械手具有操作简单、价格便宜等一些特点，因此，由PLC控制的机械手也就应运而生了。
本设计描述了机械手的国内外现状、发展趋势和研究的意义等。
同时本次设计做了硬件部分的选型，包括威纶触摸屏、三菱QD75定位模块、Q00JCPU及其输入输出的选择和伺服控制系统等一些内容。
通过对三菱Q系列语言的学习，用GXDeveloper实现了语言的编程，并且用GXConfigurator-QP进行参数设置、监视和测试。
另外，为了能够更加直观的对机械手进行监视与调整，在本次设计中完成了对人机界面的设计。
关键词：
机械手；QD75；伺服系统；人机界面
TheDesignofFourDOFHandlingRobotBasedonQD75
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theproductsofmotioncontrolusedinPLChavebeenrapidlydeveloped.Insomehigh-riskareas,inordertoreducetheamountoflaborandavoidaccidents,robotshavebeenwidelyused.TherobotscontrolledbyPLChavesomeadvantages,suchassimpleoperation,cheappriceandsoon.Therefore,therobotscontrolledbyPLCappearedsuccessfully.
Thedesigndescribedthecurrentsituationofdomesticandforeignandthetrendofdevelopmentandthesignificantofresearch,etc.Meanwhile,thedesignselectedhardwarepart,includingWeinview,MitsubishiQD75andQ00JCPUanditsoptionsofinputandoutputaswellastheservosystem.ThroughthelearnoflanguageoftheseriesofMitsubishiQ,IachievedtheprogramwithGXDeveloperandIalsosettheparameterofGXConfigurator-QPandachievedreal-timemonitoring.Inaddition,inordertomonitorandadjusttherobotsmoreintuitive,thetaskdesignedaman-machineinterface.
Keywords:
Robot;QD75;servosystem;human-machineinterface
1绪论
1.1设计的目的和意义
机械手在现代工业领域中是一种重要的控制对象，它能够按照一定的程序、轨迹，模拟人手的动作，完成一系列的抓取、搬运或者对工具进行操作等动作。
另外，机械手在搬运、切割、喷漆等各方面都得到了广泛的应用，使人们的生产和生活得到了很大的提高。
特别是在高危险、有毒、有放射性等恶劣的条件下，避免了大量的事故的发生，机械手在此方面具有明显的优势[1]。
总之，机械手能够更好的提高生产生活效率，改善人们的生活，释放出大量的劳动生产力，减轻人们的工作量，便于有节奏的生产，机械手易于维护，便于安装和使用。
这些优势使其在国内外都受到了大量的关注。
随着在当今社会中科技的发展，各种生产对于精度的要求也随之提高，在很大程度上，使机械手在精度方面无法更好的满足工业生产发展的现状。
另一方面，为了更好的节省劳动生产力，提高生产效率，自动化的要求也随着社会的发展有了更高的要求。
可编程控制器（PLC）在现代中是一种专业的工业控制装置，在当代工业中PLC得到了广泛的应用。
随着现代化的发展，各种科技都得到了高速的发展，可编程控制器自然也不例外，它在各个方面都取得了很大的发展与进步，这使得可编程控制器不断的向各个领域发展，在各个中小型企业中它逐渐成为了自动化的标志。
在当代工业中，PLC控制系统向着简易化、可靠性好以及简单的操作等方面前进，逐渐成为了现代化工业发展的重点。
另外，在现代化的工业环境下，PLC为实现现代化的制作生产做出了巨大的贡献，特别是在硬件配置和软件编程以及与网络实现交流互换信息等方面具有不可磨灭的贡献[2]。
近些年来，我国工业水平得到了很大的提高，社会竞争也变得更加激烈。
在我国的各种中小型企业中，为了更好的节约成本，提高自己的竞争力，获得更好的收益，各种自动化也成为了发展的主要方向。
在此方面，三菱系列的PLC利用本身的优势取得了很大的市场，通过对CPU的组合，实现了对各种特定应用的需求。
三菱Q系列PLC能够对各种CPU进行组合，能够更加自由的连接，这使其在现代化生产中占据着不可替代的地位。
1.2设计项目发展状况
国内方面：
目前在一些机种方面，像搬运机械手、装配安装等各方面机械手，已经基本掌握了现代化的技术，能够很好的进行各种设计和专业的制造。
另外对于各种特殊的机械手来说，它们要在一些特殊的地方进行工作，像水中、管道和各种高危险高辐射的环境等，我国已经基本解决了机械手在驱动系统方面的有关问题，能够更好的对机械手的内部系统进行系统的配置。
而且我国的机械手在软件方面也有了突破性的进展，掌握了软件设置的关键性技术（设计和编程方面的技术）[3]。
另外，在我国机械手还更好的与现代化技术进行了结合，能够实现设备之间的自动通信，也能够实现各个系统之间的协调与配合。
我国在各种基础元件方面也有了突破性的进展，能够更好的服务于我国的各行各业。
我国对于机械手的发展主要是以下几点：
①不断提高机械手的运动速度、抓取物品的精确度和机械手的可靠性。
②机械手能够进行精确的组合与重装，形成了一个个的模块。
③在现代化的机械手更加趋向于网络化、标准化：
多个器件集合成为一个或几个小的个体。
④在机械手方面，我国也将传感器广泛的应用于各行各业中，使得传感器成为了机械手工业的一个发展重点。
⑤虚拟现实技术用于过程控制。
国外方面：
在60年代末期美国已经开始出现PLC控制系统，经过了几十年的发展，其技术已经相当成熟，并且在各行各业的领域中得到了广泛的应用，机械手更是已经趋向于智能化[4]。
在这些智能化的机械手中，获得了一定的传感能力，通过对外界各种条件的不断变化，不断的根据其做出相应的变化，重点是不断研究提高机械手的视觉功能和触觉功能，能够更好的感应外界条件的变化并作出动作。
随着科技的发展，机械手不断的向着小型化和微型化发展，突破传统的机械领域，向着各种高端产业发起了挑战。
另外，国外的机械手已经研究采用将摄像头和各种传感装置与计算机进行连接，组成各种机床，达到了更高的目的要求。
总之，我国的PLC在机械手方面的设计明显趋于比较落后的地位，这就使我国自主开发的PLC不能在我国得到更好的发展与应用。
作为一名大学生，我们应该更好的掌握PLC，学习更多的知识，适应现代社会高速发展的要求。
1.3研究内容及目标
用三菱Q系列语言实现编程，用QD75作为控制系统，实现对四自由度机械手的设计。
对各个输入输出接口进行合理的分配以及整体的流程有一个清晰的布局，另外，掌握它们的结构等。
主要是实现以下几个目标：
（1）机械手的定位。
（2）机械手的动作，其中包括旋转、抓取等。
（3）机械手的复位功能。
另外，为了实现对机械手的控制系统的远程监控，还要利用威纶触摸屏设计一个完善的人机界面。
1.4本章小结
本章主要内容是介绍选题的依据，并且指出了国内外的发展状况，说明了其中的不足，这就督促我们掌握各方面的知识，更好的应用于生产生活中。
并且针对其做了研究内容和研究目的规划。
2硬件部分设计及选型
2.1机械手的设计
下图2-1是本次设计中机械手的设计模型。
图2-1机械手设计图
本次设计的是四自由度搬运机械手，也就是这个机械手有四个轴，包括机械手的前后伸缩、上下升降、底盘的旋转和机械手夹持器的旋转抓取。
另外，为了实现对机械手的监视和控制，需要一个触摸屏，建立一个人机界面完成管理。
2.2威纶触摸屏
2.2.1产品系列介绍
WEINVIEW是新一代嵌入式工业人机界面，它可以分为MT8000和MT6000两种系列，根据采用的CPU不同，WEINVIEW人机界面分为T系列、i系列和X系列。
i系列和X系列具有更快的CPU和更大的内存，从而具有更快的速度运行，在这三个系列中，根据接口配置的不同，又可以分为MT6000系列通用型产品、MT8000系列网络型产品和MT8000系列专业型产品[5]。
WEINVIEW人机界面的命名规则如图2-2所示。
图2-2WEINVIEW人机界面的命名规则
例如，在本次设计中我所使用的威纶触摸屏的型号是MT6070iH，表明该威纶触摸屏是6000系列，具有7寸LCD的触摸屏，属于i系列。
2.2.2MT6070iH威纶触摸屏
产品介绍
MT6070iH是威纶通公司新开发的一代产品，采用16：
9的宽屏设计，具有400MHzCPU和128MB的内存配置。
与目前市场上的200MHzCPU相比较，该产品在反应速度、通讯速度和下载速度等方面都有大幅度提高。
产品特点
IP65面板防护等级
LED背光灯
USB主接口及USB从接口各一组
内建电源隔离防护器
COM1RS485或COM3RS485支持MPI187.5K，但同时间只能选择其一使用。
规格说明
外壳材料：
工业塑料，
显示器：
7寸800×48065536色TFTLCD
CPU:
32BitRISC400MHz
内存（DRAM）：
64MBDDR2onboard
存储空间：
128MBflashmemoryonboard
通讯界面：
三组异步串行通讯端口：
COM1:
RS-232/RS-4852W/4W,
COM2:
RS-232,
COM3:
RS-232/RS-4852W
USB1.0host
USB2.0highspeeddevice
电源输入：
24±20%VDC,250mA@24VDC
端口功能简介
触摸屏采用24V直流电源对其进行供电，内建电源隔离保护器。
在与PLC的连接上，COM端口提供了RS-232/RS-485多种连接标准，从而能够实现触摸屏对PLC的控制，USB1.0或USB2.0端口、以太网（有的设备只有两者之一，并且使用以太网还需要设置威纶触摸屏的IP地址）端口用于连接PC机，PC机上的编程软件EasyBuider8000可以通过USB或以太网网线将事先编辑好的程序下载到威纶触摸屏中[6]。
2.3可编程控制器（PLC）
2.3.1PLC的分类
PLC产品可根据结构形式和控制规模等进行分类：
按结构形式可分为整体式和模块式。
整体式是将各个组成部分集成在一起，组合成一个盒子。
模块式是将各个组成部分作为独立的模块，然后再将各个模块进行组合而形成。
按照PLC控制规模可分为小型、中型和大型三种PLC。
小型PLCI/O点数在256点一下；中型PLCI/O点数在256~2048之间；大型PLCI/O点数在2048以上[7]。
2.3.2PLC的组成
PLC的种类繁多，但是其组成都是相同的，其基本单元都是以CPU作为核心的计算机。
PLC的硬件基本结构如图2-3所示：
图2-3PLC的硬件基本结构
根据上面的硬件结构图来看，PLC是由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源、通讯接口、扩展接口及总线部分组成。
（1）中央处理器（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误[8]。
（2）存储器
PLC的存储器根据软件不同可分为两种：
系统程序存储器和用户程序存储器。
PLC的常用存储器分类：
①RAM：
读/写存储器，又称为随机存储器
②EPROM：
只读存储器
③EEPROM：
只读存储器，用编程器可以对储存的内容进行修改
（3）I/O接口
PLC中输入接口可分为三类：
直流输入、交流输入和交直流输入。
在本次设计中用到的是24V直流输入，如下图2-4所示。
图2-424V直流输入
输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态，输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等[9]。
（4）通信接口
PLC通过各种通信接口实现“人—机”或“机—机”之间的连接通信。
（5）扩展接口
用于实现功能的扩展。
例如，用于主机和运动控制单元、通讯单元、D/A单元等部分的连接。
（6）电源
一般用市电供电，也可以用24V直流电。
（7）编程器
编程器一般可分为两类：
手持编程器和图形编程器。
（8）总线
总线分为地址总线、数据总线和控制总线，用于连接主机内的各个功能模块，实现它们间的通讯[10]。
2.3.3可编程控制器的工作方式
可编程控制器的工作方式是不断循环扫描。
如下图2-5所示：
图2-5PLC工作方式
根据上图可看出，PLC的工作过程可明确的分为五个阶段，分别是：
内部处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
2.4QD75定位模块
2.4.1Q系列PLC基本概况
Q系列PLC能够把顺序、运动、过程、信息四种自动化控制集成在同一个系统中。
如果遇到问题，冗余CPU系统可以确保系统的操作。
其关系如下图2-6：
图2-6Q系列PLC内部关系
（1）冗余CPU系统功能：
①即使在控制系统中出现故障，备用系统也可以取代控制系统使系统继续运行。
②Q系列产品均不需进行任何修改即可使用（有些模块除外）。
③远程I/O降低了分散控制的风险。
（2）Q系列PLC优势：
①控制简单，适合用于轴数多的系统。
.
②小体积、高性能、灵活性。
③有范围广泛的特定应用智能模块。
2.4.2QD75概述
（1）QD75型号说明：
下面举例来说明，如QD75P2，P是QD75定位模块当中的一种系统——开集极式系统，另外还有D——差动式系统，M——SSCNET网路系统和MH——SSCNETⅢ光线系统。
这四种系统就是在QD75定位模块中具有的系统，在简单的设计当中一般会用开集极式系统或者是差动式系统，两者相对来说差动式系统更加准确。
在QD75P2中的数字“2”控制轴的个数，“1”表示单轴控制，“2”表示两轴控制，“4”表示四轴控制。
（2）QD75具有的特性：
①具有三种模块，分别是单轴两轴和四轴模块，有多种用途。
②具有多种定位控制功能。
③能够实现快速起动。
④相对于其它模块来说，它的脉冲输出速度更加快速并且允许与驱动模块之间的距离更远。
⑤本身容易维护。
⑥支持智能功能模块专用指令。
⑦通过GXConfigurator-QP进行数据设置以及监控。
（3）QD75的功能分为主要、辅助和控制三类。
其中主要功能又有四种，分别是OPR控制，这是为了实现定位控制快速向起动点定位，能够对定位数据进行编号；主要的定位控制，根据定位数据执行控制，像位置控制和速度控制；高级定位控制，是指将多个定位数据结合成一个“块”，对指定的数据可以重复执行等；手动控制，顾名思义就是给予QD75外部信号，像是对QD75输入脉冲等进行控制，这样能够实现精确的控制。
（4）定位控制的机理如下图2-7所示：
图2-7定位控制机理图
在QD75定位模块控制的系统中，首先要有GXDeveloper按顺控程序创建控制的条件和过程，并且输送给CPU，用GXConfigurator-QP进行参数的设置和定位数据的设置，监视定位的运行；然后再有PLC和CPU进行输出各种信号，并且要检测定位模块所反馈回来的信号是否出错等；由外部发送一些启动、停止、限位等信号给QD75定位模块，或者是用脉冲发生器发送脉冲给QD75定位模块；之后QD75定位模块要对来自PLC和CPU、外部信号或者脉冲进行处理，让后将这些信号整理后输送给伺服驱动器；在伺服驱动器接受这些信号后，一方面给予电机指令并做出动作，另一方面发送REDAY信号和零信号发送给QD75；电机会在接收到伺服驱动器的信号时做出动作，对工件作出处理，完成一定的任务。
2.5Q00JCPU模块
随着科技的发展，三菱电机在我国占据着PLC系列产品的主要地位，为了更好的满足我国的用户，三菱对Q系列PLC进行了改造，不断提高PLC的性能，同时降低成本，推出了Q00JCPU。
Q00JCPU具有32入及32出的5/8槽型CPU单元：
Q00JCPU-SET（5槽）和Q00JCPU-S8-SET（8槽）。
在本次设计中由于用到的输入输出口有限，因此只需要5槽的CPU单元就能满足设计的要求。
Q00JCPU具有的产品特点：
价格相对于其它的CPU来说更加低廉，而且它的兼容性更加的优良。
（1）输入模块QX40-S1如下图2-8所示：
图2-8QX40-S1输入
QX40-S1为DC输入模块是一种正极公共端型。
规格：
额定输入电压：
24VDC
额定输入电流：
约6mA
输入点数：
16点
隔离方法：
光电耦合器
ON电压/ON电流：
19V或更高4.0mA或更高
OFF电压/OFF电流：
11V或更低1.7mA或更低
公共端子排列：
16点/公共端
外部连接：
18点端子排
（2）输出模块QY40P如下图2-9所示：
图2-9QY40P输出
QY40P是一种晶体管输出模块（漏型）。
规格：
额定负载电压：
12-24VDC
最大负载电流：
0.1A/点，1.6A/公共端
最大起动电流：
0.7A，10ms或更短
输入点数：
16点
隔离方法：
光电耦合器
公共端子排列：
16点/公共端
外部连接：
18点端子排
2.6伺服控制系统
2.6.1驱动器概要
伺服驱动器又可以称为伺服放大器或者是伺服控制器，是为了用来控制伺服电机的，主要是用在比较高精度的定位系统中[11]。
一般伺服驱动器的控制模式有三种：
位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式。
伺服控制系统的优势：
①调速范围宽。
②定位精度高。
③有高的传动刚性和速度稳定性。
④快速响应，无超调。
⑤低速大转矩，过载能力强。
⑥可靠性高。
伺服驱动器凭借着这些优势广泛的应用于各种领域。
如机械纺织领域、各种机床领域、装卸包装领域等。
2.6.2MR-J2S-SUPER系列伺服系统
MR-J2S-SUPER系列伺服系统除了具有一般控制模式的3种模式以外，还有位置/速度、速度/转矩、转矩/位置这三种控制方式可以切换。
另外，还有RS-232C、RS-422串行通讯功能。
MR-J2S_SUPER系列伺服系统的型号配置如下。
如MR-J2S-10A1-□，在这个型号中MR-J2S是说明这属于三菱系列通用交流伺服放大器MR-J2S系列；“10”是一种记号，它代表了该型号产品的额定输出功率，具体的字符和额定功率的对应如下表2-1所示；“A”这个字符是表示通用接口，另外还有“B”表示SSCNET,“CP”表示内置定位功能，“CL”表示程序运行功能内置；在接下来是符号“1”，它是用来说明该型号产品所用的电源，“1”是指单相100VAC，如果这里不存在符号，也就是说该系列产品所用的电源是3相200VAC或者是单相230VAC；最后，还有一个“□”，这是表示该产品是一种特价产品。
表2-1额定输出的标识
记号
额定输出（W）
10
100
20
200
40
400
60
600
70
700
100
1000
200
2000
350
3500
在本次设计当中，所选用的是MR-J2S-40A伺服驱动器，它的外观及各部分功能如下图2-10所示。
图2-10MR-J2S-40A外观及各部分功能图
2.6.3伺服系统的构成
伺服系统又称随动系统，能够精确的实现机械的位移、速度和加速度，完成一个完整的反馈环节，实现完整的动作[12]。
伺服控制系统在自动控制中，完成一个完整的动作用到的过程可分为五部分：
控制器、被控对象、执行环节、检测环节和比较环节。
在下图2-11中，为伺服系统的构成，主要是伺服驱动器和伺服电机，用编码器实现了对系统的反馈环节。
控制器：
一般是指计算机或者是控制电路。
被控对象：
为机械参量（位移、速度、加速度等）。
执行环节：
也就是执行元件，一般是各种伺服电机。
比较环节：
主要是对系统进行反馈比较，可用编码器进行反馈。
检测环节：
一般情况下都是用传感器来实现的。
图2-11伺服系统的构成图
2.6.4编码器
为了使伺服控制系统能够完成完整的反馈环节，本次设计要在伺服电机上安装一个编码器。
根据工作原理的不同，编码器可以分为两种，分别是增量式编码器和绝对式编码器。
在本次设计中用到的编码器为增量式编码器，其工作原理如下图2-12所示：
图2-12增量式编码器工作原理图
在图中，A,B两个点是两个光敏接收器。
在编码器上有一个能随着电机的轴转动的圆盘，在这个圆盘上有一个小孔，一侧的光源通过小孔能够照射到另一侧的光敏接收器，那么在电机旋转的时候，光敏接收器接收到一个脉冲量的信号就会产生一个频率，根据频率就可以改变电机的旋转。
增量式编码器是利用了光电之间的转换来实现输出三组反馈信号脉冲（A相、B相和Z相），Z相在每转一个脉冲中用于基准点定位，A相与B相之间的相位差是90°，对每一组脉冲信号进行分解就会形成a,b两个前缘和c,d两个后缘微分脉冲，也就是说，合计为4倍的单项脉冲，如下图2-13所示：
图2-13编码器反馈的信号
2.7本章小结
在本章中主要是对本次设计中的一些硬件进行解释说明，对硬件系统有一个比较全面的了解，对PLC组成、Q系列PLC输入输出端口和CPU有一个详细的说明，另一个重点是对伺服控制系统进行介绍，能够对本次设计的各种硬件设施组成和工作原理有一个清晰的认识。
3下位机程序的设计
在本次设计当中，程序的设计是实现本次设计的难点，也是重点。
程序的设计，首先要对输入输出口点数进行确认，并且要对其进行合理的分配；其次，要绘制PLC的外部接线，特别是对于伺服控制系统，这方面的语言编写需要经过分析进行配置；最后，本次设计用到的是QD75模块，因此要对三菱Q系列的语言进行学习，才能用GXDeveloper进行编辑，还要用GXconfigurator-QP进行数据设置和监控。
3.1PLC的I/O分配
在本次设计中，用到的是
升级会员 