基于PLC的課程設(shè)計(jì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制

1、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制摘 要本項(xiàng)目的主要研究任務(wù)是通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手模型的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)使機(jī)械手能夠在活動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)貨物的抓取，并通過(guò)計(jì)算機(jī)能夠跟蹤機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的機(jī)械手是多個(gè)連桿通過(guò)多個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)合起來(lái)的結(jié)構(gòu)。根元關(guān)節(jié)被固定在基座上，前端裝有適應(yīng)作業(yè)的末端執(zhí)行器。作業(yè)對(duì)象物的抓取則使用作業(yè)所需的手抓或手，有時(shí)也裝有傳感器。我所設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬關(guān)節(jié)式機(jī)器人。有6個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。我通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。每一個(gè)關(guān)節(jié)都有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，通過(guò)plc發(fā)出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制每個(gè)關(guān)節(jié)不同的位姿來(lái)控制達(dá)到控制機(jī)械手的最終位置的目

2、的。在設(shè)計(jì)中我使用的是fp-32t型plc，其中使用位置模塊來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作。位置模塊發(fā)出脈沖來(lái)控制不同關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)以不同的速度動(dòng)作最終達(dá)到控制機(jī)械手末端的目的。5motion of manipulator control based on plcabstract study on the project's main tasks is through the learning model of manipulator control structures, control systems theory, computer technology enables

3、the robot to grab goods within the scope of activities, and through the computer to track the motion of the manipulator trajectory. typical manipulator is the connecting rod by multiple joint combines the structure. on the root element joint is fixed to the base, front end with adapting to end execu

4、tion of the job. jobs needed to use job objects grab of the hand or hands, sometimes fitted with sensors. i design of the manipulator is an articulated robot. 6 degrees, each joint is a rotating joint. i stepper motors to control the robot's movement. each joint has a stepping motor driven pulse

5、 to stepping motor controlled by plc issued movement, so as to drive the motion of manipulator joints. by controlling each posture control joints of different purpose to control the robotic arm of the final location. i use fp in the design of -32t plc, which module is used to control the robot's

6、 action. location module sent pulses to control the different joints of the stepping motor, stepping motor at different speeds for each joint action, ultimately, control robotic end purpose. keywords: robot manipulator; plc; trajectories; progress motors緒 論 機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家karel capek的劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人

7、中，在該劇中，機(jī)器人“robota”這個(gè)詞的本意是苦力，是一種人造的勞動(dòng)力,而實(shí)際上的機(jī)器人與人很少有相似之處?！皺C(jī)器人”這一詞出現(xiàn)的較晚，但這一概念在人們想象中早已出現(xiàn)。在我國(guó)東漢（公元12世紀(jì)）科學(xué)家張衡發(fā)明的指南車(chē)可以說(shuō)是最早的機(jī)器人雛形。18世紀(jì)瑞士鐘表匠德羅斯父子制造了機(jī)器人玩具，由彈簧驅(qū)動(dòng)，用凸輪控制，可以寫(xiě)字，彈風(fēng)琴。1893年加拿大人摩爾設(shè)計(jì)了用蒸汽驅(qū)動(dòng)的能行走的機(jī)器人。1真正的現(xiàn)代機(jī)器人是從二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的。 1949年，美國(guó)需要研制新型的軍用飛機(jī)，這種飛機(jī)的零件要用機(jī)械加工出來(lái)。這就發(fā)起了對(duì)數(shù)控銑床的研制。數(shù)控銑床于1953年在麻省理工學(xué)院（mit）輻射實(shí)驗(yàn)室被研制出來(lái)

8、。60年代，george c. devol 研制出一種裝置,稱(chēng)之為可編程序關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置,他將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來(lái)，預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械手就可離開(kāi)人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行.這種機(jī)器人也可接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù).示教過(guò)程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過(guò)工作任務(wù)的各個(gè)位置,并將這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器內(nèi),任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,機(jī)器人可以再現(xiàn)這些位置。隨著電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及空間技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展起來(lái)。進(jìn)入70年代，機(jī)器人在工業(yè)中逐步推廣應(yīng)用，這又促使了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。1979年unimation公司推出pu

9、ma系列工業(yè)機(jī)器人。同年，日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的scars型機(jī)器人，到了1980年全世界約有2萬(wàn)余臺(tái)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。美國(guó)是最先研制機(jī)器人的地方，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前美國(guó)機(jī)器人制造廠(chǎng)家多達(dá)幾百上千家。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了巨大作用。據(jù)資料表明：僅2002年，美國(guó)共裝備機(jī)器人11100臺(tái)，截止至2002年底，美國(guó)共裝備各類(lèi)機(jī)器人104700臺(tái)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，日本工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展和勞動(dòng)力的嚴(yán)重短缺，為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展帶來(lái)了有利的客觀(guān)條件，工業(yè)機(jī)器人很快受到日本政府和工業(yè)界的廣泛重視。在日本各界的大力扶持下，20世紀(jì)70年代成為日本工業(yè)機(jī)器人迅速發(fā)展時(shí)期

10、，超過(guò)美國(guó)，成為當(dāng)今世界第一號(hào)“機(jī)器人王國(guó)”。據(jù)資料表明：僅2002年一年日本共裝備機(jī)器人28400臺(tái)，到2002年底，日本已裝備機(jī)器人達(dá)352800臺(tái)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于工業(yè)，而是深入到軍事、航天、醫(yī)療、服務(wù)等各領(lǐng)域。（1）機(jī)器人在核領(lǐng)域中的應(yīng)用2在核能設(shè)施中存在有對(duì)人類(lèi)傷害極大的放射性物體，因此人們很早就考慮到使用遠(yuǎn)距離操作與及自動(dòng)化（機(jī)器人化）。機(jī)器人能代替人類(lèi)自動(dòng)地遠(yuǎn)距離處理長(zhǎng)尺寸、大重量、大體積的物體，能進(jìn)行復(fù)雜作業(yè)，能在大范圍內(nèi)進(jìn)行多種檢測(cè)處監(jiān)視。（2）點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人（3）噴漆機(jī)器人（4）柔性制造系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人（5）水下機(jī)器人a.德國(guó)1100m水下機(jī)器人主要用于石

11、油與天然氣的開(kāi)發(fā)。b.英國(guó)hyball水下機(jī)器人。hyball 水下機(jī)器人可用于軍事上的搜索、排障、排雷等。還可用海洋考察、勘探、石油開(kāi)發(fā)、船底檢查清理等方面。c.日本萬(wàn)米水下機(jī)器人。d.中國(guó)無(wú)纜水下機(jī)器人。 （6）空間機(jī)器人空間機(jī)器人是代替宇航員進(jìn)行空間科學(xué)研究的有力工具，并伴隨空間技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。空間機(jī)器人有以下幾種。a.空間站機(jī)器人 這類(lèi)機(jī)器人包括空間站大型機(jī)械臂、空間站艙外自由移動(dòng)機(jī)器人和空間站艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人。b.行星探測(cè)機(jī)器人。c.自由飛行空間機(jī)器人。（7）軍用機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于軍事上。如自主地面戰(zhàn)車(chē)、地面軍用遙控機(jī)器人、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人、掃雷清障機(jī)器人、處理爆炸物機(jī)器人、

12、機(jī)器人衛(wèi)士、昆蟲(chóng)機(jī)器人、消防機(jī)器人、無(wú)人偵察機(jī)等 。機(jī)械手是一種機(jī)械裝置，由一系列彼此之間裝有關(guān)節(jié)或可相對(duì)滑動(dòng)的段節(jié)構(gòu)成，為了抓握和移動(dòng)物體，一般有幾個(gè)自由度。手工操縱機(jī)械手可能代替人在放射性的，極熱或極冷、有毒的環(huán)境下，以及在真空或高壓有害條件下工作。在工業(yè)中常用于弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、搬運(yùn)、夾持物品等等。工業(yè)機(jī)器人的主體主要是一只類(lèi)似于人上肢功能的關(guān)節(jié)型機(jī)械手,其基本結(jié)構(gòu)一般由人機(jī)接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械人幾部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-1所示。3圖1.1 工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖fig. 1.1 the industry manipulator system structure diagram

13、當(dāng)今高性能的通用型工業(yè)機(jī)器人一般采用關(guān)節(jié)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)中獨(dú)立安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的功率放大電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作。工業(yè)機(jī)器人通常具有示教再現(xiàn)和位置控制兩種方式。示教再現(xiàn)控制就是操作人員通過(guò)示教裝置把作業(yè)程序內(nèi)容編制成程序，輸入到記憶裝置中，在外部給出啟動(dòng)命令后，機(jī)器人從記憶裝置中讀出信息并送到控制裝置，發(fā)出控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人位置控制又分為點(diǎn)位控制和連續(xù)路徑控制。點(diǎn)位控制這種方式中控制機(jī)器人操作器的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，而不關(guān)心這兩點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)軌跡。連續(xù)路徑控制這種方式不僅要求機(jī)器人以一定的精度達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，而且對(duì)移動(dòng)軌跡也有一定精度要求。在本次設(shè)計(jì)中所控制的機(jī)器人為六自由度的機(jī)械手。機(jī)械手有五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別由步進(jìn)電機(jī)控制，剩余一個(gè)自由度由氣動(dòng)電磁閥控制。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度主要由步進(jìn)電機(jī)控制精度與機(jī)械精度來(lái)決定。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制主要由plc與位置控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能夠完成對(duì)工件的送取過(guò)程，即機(jī)械手移動(dòng)到輸送帶旁，從輸送帶一端夾起工件，并將工件放于指定位置。此期間機(jī)械手搬運(yùn)工件運(yùn)動(dòng)的軌跡可以人