基于PLC的四自由度机械手控制系统精品设计.docx

基于PLC的四自由度机械手控制系统精品设计.docx

《基于PLC的四自由度机械手控制系统精品设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的四自由度机械手控制系统精品设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的四自由度机械手控制系统精品设计

河北农业大学机电学院

毕业论文

题目：

基于PLC的四自由度机械的手控制系统

基于PLC的四自由度机械手控制系统

摘要可编程序控制器（Programmablecontroller）简称PLC，由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单，所以PLC的应用领域在迅速扩大。

对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。

而对当今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。

尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不段增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业。

本文介绍的机械手是由PLC输出多路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键词：

机械手PLC

Abstract

ProgrammableisreferredastothePLC.Withthehighreliability,adaptabilityinenvironmentandflexibility,thePLCiswidelyusedandexpandinginthefieldsofapplication.Wherethereneedcontrolsystems,thePLCcanbeused.Especiallyinrecentyears,thelowcost,increasedfeaturewithoutenhancement,therefore,hecurrentPLChasbeenwidelyusedinvariousindustriesinlandandabroad.ThispaperpresentsamanipulatorbyseveralPLCoutputpulses,drivinghorizontal,theverticalaxistransducer,controllingmanipulatoraxishorizontalandverticalpositioningprecision,micro-switchespositionsignaltransmissionwhichsendmessagetoPLC.LocationsignalistobethefeedbackfromswitchingfromthemainframetothePLC.WiththeexchangeofMotorreversiontocontroltheopenandjoinofthemanipulator,accuratemanipulatormovementfunctionscanberealized.Thetopicistodevelopthemanipulatorgraspingobjectsinspace,movingflexibly.What’smore,itcanreplacetheartificialtoconductedoperationsinheatanddangerouszones.Accordingtotheworkpiece，wecanchangetheworkprocessandchangetherelevantparametersiftherequirementsneed.

KeyWords:

ManipulatorPLCcontrol

1绪论

1.1现状

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。

机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。

把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。

当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。

而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2机械手的发展概况

机械手一般为三类：

一是不需要人工控制的通用型机械手。

它是不属于其他主机的独立装置。

可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。

它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。

二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。

先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。

第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。

这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。

它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。

第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。

结构是：

主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。

采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

1.3PLC的发展概况

机械手一般为三类：

一是不需要人工控制的通用型机械手。

它是不属于其他主机的独立装置。

可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。

它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。

二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。

先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。

第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。

这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。

它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。

第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。

结构是：

主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。

采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。

为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：

（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；

（2）编程简单；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4）抗电磁干扰强；（5）具有数据通信功能。

就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电－接触器控制的硬接线逻辑不易修改。

美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。

1.4PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：

“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5统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.5PLC的特点

①高可靠性

1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。

3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

4）采用性能优良的开关电源。

5）对采用的器件进行严格的筛选。

6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

②丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

③采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

④编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

⑤安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

1.6PLC的工作原理

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。

可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。

在内部处理联合阶段。

可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。

可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。

在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。

可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。

在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。

外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。

外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。

在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。

在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。

在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。

在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。

体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。

信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。

若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。

扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次图2.5.1a所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。

指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。

当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。

如图1-1所示。

用户程序执行

图1-1PLC的扫描运行方式

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它

们存入I/O映象区的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。

所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC的CPU总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。

并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

例如：

算术运算、数据处理、数据传达等。

（3）输出刷新阶段

在输出刷新阶段，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。

这时才是PLC真正的输出。

（4）输入/输出滞后时间

输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。

输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。

输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms。

由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。

可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。

要求输入—输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。

1.7本课题的目的和意义

自改革开放，我国经济高速发展，机械手早期应用在汽车制造业。

当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。

机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。

机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。

它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。

可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。

本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件件设计。

2系统结构的确定

2.1工业机械手概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

2.2机械手设计

2.2.1机械手组成

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所组成。

（一）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。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。

夹持式手部由手指（或手爪和传力机构）所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:

手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较多时常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕:

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）3、手臂:

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

4、立柱:

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。

机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构:

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式布为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6、机座:

机座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机座上，故起支撑和连接的作用。

（二）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

2．2.2机械手参数

一、用途:

用于自动输送线的物料搬运。

二、设计技术参数:

1、抓重:

5kg

2、自由度数:

4个自由度