机械手PLC控制设计.docx
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机械手PLC控制设计
编号：
审定成绩：
重庆邮电大学移通学院
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
机械手PLC控制设计
单位（系别）：
自动化
学生姓名：
童建钢
专业：
电气工程与自动化
班级：
05130801
学号：
0513080116
指导教师：
崔卫星
答辩组负责人：
填表时间：
2012年4月
重庆邮电大学移通学院教务处
摘要
随着可编程控制器应用技术的不断发展，PLC的应用范围日益扩大，使得当今工程技术人员在设计电气控制系统时，考虑选用PLC控制取代接触器控制。
本文重点分析了基于PLC的机械手控制系统的组成，并详细叙述了在以PLC为核心的基础上，对步进电动机进行综合控制的软、硬件的实现方法。
该系统利用步进电动机单位脉冲所具有的步进距离不变的特点，对其采用开环点位控制。
因此可将整个运动视为折线运动，每一个动作可视为运动程序相同、特征参数各异的点位相对运动。
其以起点作为参考点，通过脉冲计数得到目的点的位置，手动操作机械手从参考点运动到目的点后，保存目的点位的特征参数，并统一进行列表管理。
从而实现手动模式下运用关键点位输入及自动模式查表方式的“仿形”动作。
【关键字】：
可编程控制器机械手定位控制
ABSTRACT
WiththeProgrammableLogicControllerthecontinuousdevelopmentofappliedtechnology,PLContheapplicationofgrowing,makingtoday'sengineeringandtechnicalpersonnelinthedesignofelectricalcontrolsystem,considerreplacingoptionalPLCcontrolaccesscontrol.ThepaperanalyzedthePLC-basedcontrolsystemManipulatorthecomposition,anddescribedindetailinthePLCasthecoreonthebasisoftheSteppingMotorcontroloftheintegratedsoftwareandhardwareofthemethod.ThesystemusedbytheSteppingMotorunitpulseofstepwiththecharacteristicsofthesamedistancefromtheirpointofusingopen-loopcontrol.Sothewholemovementcouldbeseenasbrokenlinemovement,everyactioncanbeconsideredthesameassports,characteristicsofdifferentparametersofthepointofrelativemovement.Toitsstartingpointasareferencepoint,throughthepulsebycountingpurposesatthelocation,manuallyoperatedmechanicalhandmovementfromthepointofreferencepointstothepurpose,thepurposeofpreservingpointsoftheparameters,andaunifiedlistmanagement.Toachievemanualmodeuseofthekeypointsofimportandautomaticmodelook-uptablemeans"copying"moves.
【Keyword】ProgrammableLogicControllerManipulatorPositioningControl
前言
机械手：
mechanicalhand，也被称为自动手，autohand
能模仿人手臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、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。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
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。
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。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；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。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，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也常称为机械手。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
第一章机械手的介绍
第一节研究的目的和意义
一、传统机械手
伴随着工业自动化发展的脚步，机械手凭借其定位精度高、工作性能稳定、结构灵活多样、可精确复现等特点，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。
它的运用标志着制造业向自动化、无人化、节拍化、智能化的迈进。
就传统继电控制的机械手而言，因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、可靠性差、维修困难等劣势，逐步退出了历史舞台。
二、现代机械手
可编程控制器因其诸多特点被广泛应用于现代机械手控制系统中。
可编程控制器简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
其特点如下：
①可靠性高，抗干扰能力强。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
就PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
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。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
②配套齐全，功能完善，适用性强。
PLC发展至今，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加之PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
③易学易用，深受工程技术人员欢迎。
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
④系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
⑤体积小，重量轻，能耗低。
以超小型PLC为例，其底部尺寸小于100毫米，重量小于150克。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
配套齐全，功能完善，适用性强。
第二节研究的国内外现状和发展趋势
一、国内外现状
①应用广泛性。
机械手作为一种按人类意识进行简单替代人手操作的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：
搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作。
②结构多样性。
机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。
在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用。
③智能性。
借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息，及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。
即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一工作环节。
生产车间中，运用该机械手，可实现自动化生产，构建无人车间。
二、发展趋势
①各种多用途机械手。
适用于抓取各种物件，适合于各种不同用途，具有各种新功能。
如汽车工业中的上下料、装配、喷涂以及各种功能的实现。
②具有熟练技术工人的机能。
如开发双臂多关节机械手，像熟练技术工人那样进行各种装配、检修、焊接、喷涂等工作，能搬运液晶玻璃、半导体器件，并能和计算机连接，通过仿真软件进行各种熟练技术工人的工作。
完美的人机界面，完备的通信功能更好适应各种工业的控制场合。
③实现智能化，能进行多品种少数量的柔性生产，组成各种形式的制造系统。
开发各种带视觉、听觉、触觉的新型传感器，能够分析、判断、遥控的智能化机器手，为未来低成本、高精度、高效率、高自动化的制造系统做准备。
④提高机器手工作定位精度。
通过安装视觉传感器，实时控制系统等措施，使机械手运动环节能实现实时位置反馈，提高机械手工作定位精度。
第三节主要研究内容，需要解决的关键问题和思路
一、概要
任务：
实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。
环境：
高温和危险的作业区，可变换生产品种的中、小批量柔性自动化生产线。
要求：
PLC控制，预置工作程序，动作灵活，可根据工件的变化随时更改相关控制参数。
二、硬件选择
①动力源——步进电机及其相应驱动设备。
机械手夹持部位采用电磁控制。
各元件应结合现场工作环境进行校核设计，本文中所选设备仅作示范性选择，未进行校核，不适用于具体设备制造，不代表最终机械手硬件。
②传动机构——机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。
③减速机构——本文不设计减速机构，在实际生产中若动力不足，可另行增加。
同时为保证机械手的有足够的定位精度，应保证减速器具有满足使用要求的传动精度。
④超程保护——设备运行过程中未能豁免发生控制程序或电路故障，造成在极限位置仍继续发出前行信号，烧毁步进电机或其驱动设备。
结构中在极限位置采用行程开关进行超程保护，各极限位置保留了一定工作区域，不作为工作行程。
⑤操作台布置——尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警
三、控制要求
①定位精确性——步进电机和步进电机驱动器作为动力驱动设备，采用开环点位控制，满足定位要求。
②路径无干扰性——无干涉，无安全隐患。
可以设定中间点位避让绕行。
③故障报警系统——具有故障位指示功能。
四、输入/输出设备
输入：
指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。
输出：
指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。
五、PLC选择
保证设计所需的指令、I/O点数、电压及输出方式的要求，选择质优、价廉、广泛应用的产品以降低总设计成本。
六、I/O点数分配
合理选用满足设备要求点数的PLC，减少不必要的浪费。
优先分配特殊I/O点，注意相关指定输入输出端，归类分布。
七、PLC程序设计
①移植性——制定参数存储区域，存储点位控制机械手的关键点位置，仅一次手动操作，即能完成自动程序的点位编程，降低对操作要求，实现远程、高柔性工件搬移。
②继承性——精炼的程序段，注明详细程序说明，对后期的二次开发提供基础。
八、研究对象特点
本设计的应用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。
该设备可以应用于中、小批量，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安全事故。
远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危险环境下较普通机械手有明显的优势。
第二章机械手硬件设计
第1节机械手夹持结构
一、夹紧机构——手爪
机械手手爪是用来抓取工件的部件。
其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。
手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。
可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。
手爪抓取工件时应具有迅速性、灵活性、准确性和可靠性。
设计过程中应根据需要对机械手的运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性和冲击力、开口尺寸进行校核，且能够自锁，防止断电或设备故障造成被抓物掉落。
二、结构
假定被夹持工件为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计。
图2.1机械手手爪示意图
1.手爪2.转轴3.压缩弹簧4.电磁铁心5.电磁线圈6.螺母
7.机械手手爪壳体8.定位销9.限位螺钉10.橡胶防滑垫
工作方式：
机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。
若线圈得电，手臂端产生磁力矩，当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开；若线圈失电，手臂端无磁力矩，机械手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩作用下，保持夹紧状态，实现自锁功能，避免因偶然断电导致被抓物掉落。
特点：
最小夹持半径可调，设定夹持点半径，可减小夹紧力对夹持物表面的破坏。
由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性．通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。
第二节机械手躯干
一、组成
机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手腕四部分。
立柱是支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱与机座相联可固定在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁上，可固定在行走机座上。
本设计中机座为落地固定式机座。
机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。
手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。
手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活、位置精度高、通用性强等特点。
主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。
图2.2机械手机构图
1.基座2.卡环3.轴承4.步进电机5.圆柱主动齿轮6.圆柱从动齿轮7.摇臂
8.联轴器9.螺母10.导向轴11.丝杠滑块12.丝杠轴13.轴承14.机械手
二、传动定位机构
（一）手臂直线运动的结构
手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。
文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。
现就两者作以下分析：
丝杠螺母机构：
位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。
矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。
滚珠丝杆效率高，但成本高。
齿轮齿条机构：
传动效率高，速度快、无自锁。
一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。
为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。
（二）手臂回转机构
由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。
可直接采用齿轮减速以实现回转。
第3节传动系统
一、传动方式
电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。
采用步进电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。
步进电机能够达到比较高的重复定位精度。
二、步进电机及其驱动器
步进电动机（steppingmotor）是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。
机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。
螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。
磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。
永磁式步进电动机由四相绕组组成。
A相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。
永磁式步进电动机消耗功率较小。
缺点是起动频率和运行频率较低。
反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。
这种步进电动机步矩角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。
永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。
是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。
步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。
一般地说最大静力矩MJ大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到设备所需的脉冲当量。
在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。
但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。
精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和设备要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。
三、原点定位及超程保护
为保证机械手重复定位精度，对机械手每工作循环提出返回原点校零位要求。
在初始位置添置限位开关，当触及时发出已达原点指令，停止运动。
同时锁定继续前行运动，能且只能反向运动，以实现因故障或暴力操作造成的超程保护功能。
非原点端只作超程保护不作为定位。
四、操作台
操作面板以贴近人们日常工作习惯、符合人体工程学、方便工作人员直观操作、反应自动工作状态为原则，与后文I/O采用方案相匹配，进行设计，如图2.9所示。
该机械手工作方式有手动、单步、单周期、连续工作（自动）四种形式。
具有原点、路径关键点，报警指示、工作状态指示等功能。
下面就操作面板说明如下：
设备原点：
机械手的机械设备原点。
任何停止状态，旋转选择旋钮到原点，启动回原点按钮，机械手回到原点。
手动方式：
各自的按钮使各个负载单独接通或断开。
实现实时按操作者的指令进行动作。
同时也负责起自动工作方式中每一工步的目的点的记录保存工作。
单步：
旋钮选择单步工作，按动一次启动按钮，前进一个工步。
单周期：
旋钮选择单周期工作，按动一次启动按钮，运行一个周期。
连续工作（自动状态）：
在用户原点，旋钮选择自动，按动启动按钮连续反复运行，途中按动停止按钮，运行到原点后停止。
LED指示灯：
状态实时显示。
电源和急停按钮与PLC工作无关。
该按钮使用来接通或断开PLC外部负载的电源。
图2.9操作面板示意图
第二章机械手软件设计及实现
第1节工作流程图
一、PLC控制系统设计的基本原则
①满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要，PLC选用功能较强的新产品，并留有适当的余量。
②系统安全、可靠。
③尽可能简单、经济、使用与维修方便。
④具有高的性能价格比。
二、PLC控制系统设计步骤
①分析被控对象，提出控制要求。
②确定输入、输出设备。
③确定PLC的I/O点数，选择PLC机型。
④分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
⑤程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。
刘程序调试。
先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。
⑥调试过程结束，整理技术资料，投入使用。
第二节PLC选择及I/O口分配
一、PLC控制系统设计的基本原则
①满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要，PLC选用功能较强的新产品，并留有适当的余量。
②系统安全、可靠。
③尽可能简单、经济、使用与维修方便。
④具有高的性能价格比。
二、PLC控制系统设计步骤
①分析被控对象，提出控制要求。
②确定输入、输出设备。
③确定PLC的I/O点数，选择PLC机型。
④分配I/O点数，绘制PLC控制系统输入、输出端子接线图。
⑤程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。
程序调试。
先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。
⑥调试过程结束，整理技术资料，投入使用。
图3.2PLC控制系统设计步骤流程图
三、CPU的速度
CPU的运行速度是指执行每一步用
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