五轴搬运机器人毕业设计.docx

1、五轴搬运机器人毕业设计XX市技师学院毕业设计 题 目：西门子PLC在五轴搬运机器人的应用 院 系： 电气工程系 班 级： 10技自动化2班 姓 名： 彩修彪 学 号： 103226 2014年 4 月 摘 要现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。而机械手控制系统那么逐步开展为与计算机互联，使机械手控制系统更加智能化，操作更加简单方便。五轴机器人机械手是指能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统

2、、控制系统和人工智能系统组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。由于气压技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气压技术。控制系统是五轴机器人机械手的指挥系统，他通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进展工作，并检测其正确与否。可编程控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在储存器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；变成简单、使用方便；设计、安装容易，维护工

3、作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越来越多的由可编程控制器即PLC来实现。本文以柔控系统中的五轴机器人的程序设计为例，充分利用气动与PLC技术的特点，实现自动化控制。并给出了对应的I/O分配表，和PLC的外部接线图。关键词：机械手，自动化，PLC，步进电机 摘 要1目 录2第1章引言31.1 五轴机器人机械手与PLC的描述31.2 五轴机器人机械手与PLC在国内外的现状41.2.1国外现状41.2.2国内现状41.3课题研究的内容、目标以及可行性51.3.1研究内容51.3.2研究目标51.3.3可行性分析5第2章 PLC、气动、步进电机及驱动器的介绍62.

4、1 PLC技术的介绍62.1.1 PLC的历史与开展62.1.2 PLC的特点72.1.3 西门子PLC82.2气动技术的介绍92.3步进电机及驱动器的介绍10 2.4 编码器. 11第3章 五轴机器人机械手的动作流程173.1五轴机器人的动作流程173.1.1合格工件在分拣单元的动作173.1.2不合格工件在分拣单元的动作173.1.3没有工件时分拣单元的动作173.2 分拣单元的元器件18第4章 PLC编程、接线图、分配表194.1 I/0分配表194.2 外部接线图194.3 PLC程序的编写20第5章 安装与调试 .24总 结26参考文献27第1章 引 言1.1机械手与自动化的描述五轴

5、机器人是机械手的一种。机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要XX现自动抓取、搬运和操作的自动装置，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，增加了工人们的劳动强度，甚至危及生命。机械手就是在这种条件下诞生的，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。它特别是在高温、高压、多粉尘、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此获得日益广泛的应用。机械手是在机械化，自动化生产过程中开展

6、起来的一种新型装置。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经成为高科技术领域内迅速开展起来的一门新兴技术，他更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，它更加促进了机械手的开展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。本课题设计的机械手是采用PLC通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单等特点，来实现自动化控制的。1.2机械手与自动化在国内外的现状1.2.1机械手与自动化在国外的现状机械手首先是从美国开场研制的。1954年美国工程师德尔沃最早提出机械人的概念；1958年美国联

7、合控制公司研制出第一台机械手。1959年美国德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人；1962年美国正式将机械人的的使用性提出来，且制造出类似人的手臂；1967年日本成立了人工手研究会，并召开了首届机械手学术会；1970年在美国召开了第一届工业机械人学术会，并得到迅速的普及；1973年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的工业机械人，当时是液压驱动，能载重45KG；到1980年在日本得到普及，并定位“机械人元年此后在日本，机械人得到了前所未有的开展与提升。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的开展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以到达3M/S，负载2K

8、G的产品系统总重已突破100KG。现代式工业中，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根本得到解决。采用全自动化机械手进展装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位打到镶装的目的，但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，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产生的。工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，动作灵活多样，使用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。1.2.2机械手与自动化在国内的现状 在我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用

9、领域。但是我国在工业机械手生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。目前国内机械手的保有量在4000台左右，并将以每年8001000台左右的速度快速增长。工业机械手应用前景极为广阔。虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。国内机械手厂家主要还是受到控制系统的困扰，没有比拟成熟稳定的伺服系统，所以不能产生高端机器。我国外乡企业生产的机械手产品还主要流通在中低端市场，因此决定了很多外乡生产企业在争夺市场时主要还是采取价格战。随着

10、技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商参加此行业。我国国家“863机械手技术主题自成立以来一直重视机械手技术在产业中的推广和应用和推进机械手技术以提升传统产业，利用机械手技术开展高新产业。目前，政府正在使用各种方法加大中国装备制造业在市场中占据的份额，并提供优惠措施鼓励更多企业使用机械手及技术以提升技术水平。国内越来越多的企业在生产中采用了工业机械手，各种机械手生产厂家的销售量都有大幅度的提高。1.3课题研究的内容、目标以及可行性1.3.1研究内容利用可编程控制器作为载体，为柔性控制流水线的五轴机器人设计一套程序驱动机械手进展预定动作实现工件搬运功能，并可根据工件的变化要求，随时更改相关参数。1

11、.3.2研究目标 1利用西门子PLC编写一套PLC的应用程序其功能是实现对机械手的循环控制，使五轴机器人按照预先设想的轨迹运行实现工件搬运的功能。 2画出PLC的I/O分配表、气路图以及PLC程序。1.3.3 课题的可行性本课题所涉及的研究目标，通过教师的指导和查阅各种资料，五轴机器人PLC控制系统的设计，绝大局部可以使用电气工程及其自动化专业知识进展构建。 1经济可行性： 本课题通过对既有平台的使用，能够设计出比拟完善的机械手控制系统，没有任何经济上的负担，本课题可以利用我校柔性控制流水线完成锻炼学生的自我动手能力。 3操作可行性： 本课题要求对可编程控制技术有比拟细致的了解，能够通过对以有

12、资料的学习和已有技术的研习，利用在我校学习的电气自动化的相关知识，PLC控制程序的设计。从可操作性角度来讲，完全可行。第2章 PLC与气动技术 机械手的控制多种多样，本课题所研究的柔性控制流水线采用的是利用PLC控制来控制气动手指。2.1 PLC技术的介绍可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller，PLC，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。本课题是用的是西门子S7-200 PLC。2.1.1 PLC的历史与开展1起源 1968年美国

13、通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC；1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；1971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。 2开展 20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

14、此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机开展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic ControllerPLC；20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化开展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位；20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段

15、；20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器开展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统；20世纪末期，可编程逻辑控制器的开展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期开展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。2.1.2 PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强2配套齐全，功能完善，适用性强 3易学易用，深受工程技术

16、人员欢送 4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造5体积小，重量轻，能耗低 2.1.3 西门子PLC西门子公司生产的可编程控制器在我国应用相当的广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。本课题选用的PLC是西门子公司制造的S7-200，S7-200是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监控及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或练成网络都能实现复杂的控制功能。一、PLC的构造与工作原理PLC的构造PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽一样，但构造与工作原理那么XX小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要局

17、部组成。1.主机 主机局部包括中央处理器CPU、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进展数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备如编程器、电脑、打印机等的请求以及进展各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。2.输入/输出I/O接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件

18、。输入接口承受输入设备如按钮、传感器、触点、行程开关等的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备如接触器、电磁阀、指示灯等。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3.电源图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。 4.编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适

19、配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进展电脑编程和监控。5.输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于连接扩大外部输入/输出端子数的扩展单元与根本单元即主机。6.外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。 7.PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环的方式进展工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号或地址号作周期性循环扫描，如无跳转指令，那么从第一条指令开场逐条顺序执行用户程序，直至程序完毕。然后重新返回第一条指令，开场下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的

20、采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态存放器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态存放器中，输出状态存放器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态存放器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式继电器、晶体管或晶闸管输出，驱动相应输出设备工作。二、S7-200

21、 PLC的硬件组成及指令系统S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，具体见下列图：S7-200CPU模块包括一个中央处理器CPU、电源以及I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进展控制输入和输出时系统的控制点：输入局部从现场设备中例如传感器或开关采集信号，输出局部那么控制泵、电机、指示灯以及工业过程中的其他设备。电源向CPU及所连接的任何模块提供电力支持。通信端口用于连接CPU与上位机或其他工业设备。状态信号灯显示了CPU工作模式，本机I/O的当

22、前状态，以及检查出的系统错误。2.2 气动技术的介绍机械手的驱动方式有很多种比方电动式机械手、液压式机械手、机械式机械手以及气动试机械手，本课题所描述的五轴机器人中的气动手指就是用气动技术驱动的，那么我们来了解一下气动技术。气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁平安、低本钱、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用。2.2.1 气动技术的特点1气动装置构造简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、使用平安相对液压系统平安一些2工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，

23、但电能消耗较大，能源转换率很低，初期本钱较低，但使用本钱较高。3输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为50500mm/s。但运行速度稳定性不高。4可靠性不太高，使用寿命受气源干净度和使用频率的影响较大。5利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。6全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用通常为160以内。2.2.2 气动元件在气动技术中电磁阀的运用非常重要。如果想利用PLC控制气动机械手，那么必须要简单的熟

24、悉一下气缸、气动电磁阀的用法和控制的方法。 1气缸示意图 注：气缸的正确运动使物料到达相应的位置，只要交换进出气的方向就能改变气缸的伸出缩回运动，气缸两侧的磁性开关可以识别气缸是否已经运动到位。 2单向电磁阀示意图注：单向电控阀用来控制气缸单向运动，实现气缸的伸出、缩回运动。与双向电控阀区别在双向电控阀初始位置是任意的可以控制两个位置，而单控初始位置是固定的只能控制一个方向。2.2.3 气动手指控制示意图注：上图中手爪夹紧由单向电控气阀控制，当电控气阀得电,手爪夹紧，当电控气阀断电后，手爪X开。2.3 步进电机及驱动器本课题是用的步进电机驱动器为雷赛 M415B，下边简单介绍一 下此型号。2.

25、3.1元件简介：M415B是采用中国专利技术生产的细分型高性能步进驱动器(M = Microstep),适合驱动中小型的任何1.5A相电流以下的两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。其细分功能使步进电机运转精度提高1-64倍。每秒两万次的斩波频率，可以消除驱动器中的斩波噪声。另一有用的功能是静止自动减流：当电机处于停顿状态时，输出电流可自动降至较低值，从而减少电机和驱动器的发热。静止电流值可由用户视具体应用自由设定。适合各种小型自动化设备和仪器，例如：气动打标机、贴标机、割字机、激光打标机、绘图仪、小型雕刻机、数

26、控机床、拿放装置等。在用户期望低振动、小噪声、高精度、高速度的小型设备中效果特佳。2.3.2元件图片2.3.3元件特性1 高性能、低价格 2 供电电压可达40VDC 3 驱动电流可达1.5A 4 静止时电流可自动减半 5 细分精度64细分可选,动态可改细分 6 光隔离信号输入 7 电机噪声优化功能 8 可驱动任何1.5A相电流以下两相、四相混合式步进电机 9 双极恒流斩波方式 1020KHz斩波频率，最高频率100KHz 11精巧的外形尺寸便于安装2.3.4 电气指标说明最小值典型值最大值单位供电电压182440V均值输出电流0.2111.5A逻辑输入电流61530mA步进脉冲响应频率100k

27、Hz脉冲低电平时间51us2.3.5 接线信号描述信号功能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR 方向信号：用于改变电机转向，TTL电平驱动OPTO光耦驱动电源ENA使能信号：制止或允许驱动器工作，低电平制止GND直流电源地+V直流电源正极典型值24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相2.3.6 接线 细拨设置 1电流设置2细分设置 3接线图备注：使用24V电源时在信号线上串2K电阻。2.4 编码器编码器encoder 是将信号如比特流或数据进展编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。 编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称

28、码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是1还是“0；非接触式的承受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是1还是0，通过1和“0的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。 元件图片 利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。 感应同步器俗称编码器、光栅尺分为直线式和旋转式两类。前者由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；后者由定子和转子组成，用于角位移测量。1957年美国的R.W.特利普等在美国取得感应同

29、步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。在机械制造中，感应同步器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反应系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。定尺上的连续绕组的周期为2毫米。滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的一样，但相互错开1/4周期 (电相位差90)。感应同步器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。前者是把两个相位差90、频率和幅值一样的交流电压U1 和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。如滑尺相对定尺移动，那么U的相

30、位相应变化，经放大后与 U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位一样而幅值不同的交流电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子局部组成的系统称为感应同步器测量系统。它的测长准确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1/360。2.4.1 编码器的优点工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断开展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：1、信息化除了定位，控制室还可知道其具体位置；2、柔性化定位可以在控制室柔性调整；现场安装的方便和平安、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的平安安装问题，可以防止诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。