基于PLC機械手控制系統(tǒng)設計

1、管）四川工程職業(yè)技術(shù)學院 學生畢業(yè)綜合實踐報告基于PLC機械手控制系統(tǒng)設計學生姓名：學 號：專業(yè)班級：_指導老師：完成時間：摘要隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手廣泛應用于采礦、冶金、石 油、化學、船舶等傳統(tǒng)領域，同時也已開始擴大到航空，航天。生化、 醫(yī)藥、核能等高科技領域中，本文目的主要是利用可編程控制器作為 載體，設計一套程序取驅(qū)動機械手進行預訂動作實現(xiàn)對目標的抓取、 搬運及投放，根據(jù)需求變化改變搬運軌跡，整個系統(tǒng)利用plc技術(shù)位置控制技等關(guān)鍵詞：機械手、可編程邏輯控制器abstractWith the development of science and technology, manipul

2、ator is widely used in mining, metallurgy, petroleum, chemical, shipbuilding and other traditional areas, but also has begun to expand to aviation, aerospace. Biochemistry, medicine, nuclear energy and other high-tech fields, in this paper, the main objective is to use the programmable controller as

3、 the carrier, design a set of procedures and the drive manipulator to achieve the target capture, handling and delivery booking action, according to the demand change handling trajectory, the whole system by using the technology of PLC position control technology.Keywords: manipulator ； programmable

4、 ； logic controller目錄緒論1.1 機械手應用背景與意義機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件 （或工具） 的部件， 根據(jù)被抓持物件的形狀、 尺寸、 重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、拖持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、收縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式， 稱為機械手的自由度。 為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6 個自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活度越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有 23 個自

5、由度。 控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或DSP?微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展，自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱，無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一種新的技術(shù)，是現(xiàn)代 控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物， 并以成

6、為現(xiàn)代機械制造 生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、 改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。 尤其在高溫、 高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛，。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，收到機械工業(yè) 和鐵路部門的重視。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志 的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。 智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎 知識，而且還應用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無 線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新

7、技術(shù)。 目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視， 幾十年來，這項技術(shù)的研究和 發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域 也在不斷地擴大。隨著我國工業(yè)的跨越式發(fā)展，機械手作為工業(yè)生產(chǎn)及裝備制造業(yè)中處在 及其重要的位置。在工業(yè)生產(chǎn)和裝備制造領域中充當著非常重要的角 色，尤其是它能代替人工在有害環(huán)境中進行操作以保護人工的生命安 全，在各個領域都有機械手的影子：機床加工工件的裝卸，特別是在自 動化車床、組合機床上使用較為普通；在裝配作業(yè)應用廣泛，在電子行 業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部 件；在勞動條件差，單調(diào)重復易于疲勞的工作環(huán)境，可代替人的勞動； 可在

8、危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等；宇 宙及海洋的開發(fā)；軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和實驗。1.2 機械手應用國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人， 也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人。 機械手研究開始于 20 世紀中期，一方面，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1964 年第一臺數(shù)字計算機問世以來，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的發(fā)展， 這為機械手的開發(fā)奠定了基礎； 另一方面，核能技術(shù)的研究需要某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)， 在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手， 1948年又開發(fā)了機械式主從機械手。機械手首先是由美國開發(fā)研制的， 50 年代以后，機

9、械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門， 在高溫、 污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、 自動生產(chǎn)線和加工中心中應用。 完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。 1954 年美國戴爾沃最早提出了工業(yè)機器人的概念， 并申請了示教， 機械人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。 這就是所謂的示教再現(xiàn)機機器人， 現(xiàn)在的機器人差不多都采用這種控制方式。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一彈機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AM蟲司推出的“ ERSTRAN和“ UNIMATION公司推出的 “UNIMATE。我國機械手起步于 20 世紀 70

10、 年代初期，經(jīng)過30 多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個階段： 70 年代萌芽期， 80 年代的開發(fā)期和 90 年代的應用期。在我國， 機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。 在國際強手面前， 國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力， 由上海起， 接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序， 結(jié)合式， 液壓伺服型同用機械手， 并開始了機械學 （包括步行機構(gòu)） 、計算機控制和應用技術(shù)的研究，這些機械手大約 1/3 用于生產(chǎn)。經(jīng)過80 年代尤其是后5 年的努力，吸引了 160 多個單位從事機械手及相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機械手技術(shù)地區(qū)和十幾

11、家優(yōu)勢單位，培養(yǎng)了一支 2000 多人的工業(yè)機械手設計，研制，應用隊伍， 造就了一批機械手專家， 使我國工業(yè)機械手技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、 參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)， 對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫， 政府務必會加大對機器人的資金投入和政府支持， 將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。 我國主要開發(fā)的機械手由噴涂機械手、焊接機械手、搬運機械手和裝配機械手。這些工業(yè)機械手主要由類似人的手和臂組成， 它可替代人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化， 能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全， 因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕

12、工和原子能等部門。第 2 章控制要求本次的設計需要自己對機械手進行各種器件的選擇，并且編程通過PLC運行程序，實現(xiàn)機械手上下，左右移動和夾取物品，本次的操作要求是通過手動和自動的方式來實現(xiàn)設計目標，其中自動有三種方式。單步運動：按下按鈕機械手完成這個動作就停止。單周運動：按下啟動按鈕，從原點開始，機械手按工序自動完成一個周期的動作后，停在原位。連續(xù)運動： 機構(gòu)停在原位時， 按下啟動按鈕， 機構(gòu)自動執(zhí)行周期工作。按下復位鍵復位。第 3 章設備選型3.1. 控制的選型輸出刷新三個階段。PLC的特點：1、抗干擾能力強、可靠性高。2、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強。3、編程方便，易于使用。4、功能強大，成

13、本低。5、設計、施工、調(diào)試的周期短。6、維護方便。3.2.2常用PLC介紹在中國，PLC的型號有很多種，而且生產(chǎn)的廠家也不同，其類型也有所不同，使用起來也都不相同，三菱PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時計時與操作等面向用戶指令，并通過數(shù)字或模擬量輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，三菱PLC在中國常見的型號有FR-FX1S,FR-FX2N,FR-FX3繇。其特點和許多PLC相似，編程簡單、可靠性高、高速運算等，其缺點是，模擬量模塊比較昂貴且程序復雜。西門子PLC在中國市場的占有率很大，廣泛的應用在多種領域里。也是技術(shù)比較成熟、最具有特色和最具有代

14、表性的微型plc ，除基本的指令表編程外， 還可以用采用梯形圖及對應機械動作流程進行順序功能圖編程，而且這些程序可以互相轉(zhuǎn)換。其S7 系列 plc 體積小，速度快，具有網(wǎng)絡通信能力功能更強等，而且還具有強大的中文功能。綜上，西門子 plc 更加符合我們經(jīng)濟和要求， 因此我們選擇plc 作為本次的控制中心。的選型西門子PLC的主要型號有S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200幾種型號，其用途也會有所不同， S7-200 用于小型的電氣系統(tǒng)中，著重邏輯控制， S7-300 用于稍大的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)復雜的工藝控制， s7-400用于大型控制系統(tǒng)， 主要實現(xiàn)冗余控制等， 由于我

15、們這次是對模型的機械手控制，屬于小型的控制系統(tǒng)，而且邏輯控制要求也比較高，因此我們選擇西門子PLCS7-200CPU224CDC/DC/D祚為本次控制中心的型號，由于此型號只有14 個輸入點 10 個輸出點， 而我們要 24 個輸入點 11 個 輸出點，遠遠不夠我們的需求，我們還需要一個擴展模塊。 S7-200 的 擴展模塊有。1. 輸入擴展模塊EM221: 共有 3種產(chǎn)品， 即 8點和 16 點 DC、 8點 AC。2. 輸出擴展模塊EM222共有5種產(chǎn)品，即8點DG口 4點DC 8點 AC、 8點繼電器和 4點繼電器。3. 輸入/輸出混合模塊EM223共有6種產(chǎn)品。其中DC輸入/DC 輸出

16、的有3種，DC輸入/繼電器輸出的有三種，它們對應的 輸入/輸出點數(shù)分別為4點、 8 點和16 點。4. 模擬量輸入擴展模塊EM231。5. 模擬量輸出擴展模塊EM232。6. 模擬量輸入/ 輸出擴展模塊EM235。7. 圖 2.1 S7-200 CPU 外型圖因此擴展模塊EM22漪合我們的要求，還可以留有一定的余量。3.3 電機的選擇和手爪電機的選定我們在選擇的過程中， 首先考慮到我們所選的器件是否能達到我們的預定要求，性價比等，我們這次選擇的控制中心式直流輸出，而電機又是直接受控制中心控制運行的， 因此我們選擇倆個永磁直流電機， 其 型號為70TYZ0g工作電壓為24V以下.工作電流小于5.

17、1A作為底座和 機械手爪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。直流電機的工作原理直流電機再外加電壓的作用下，在導體中形成電流，載流電體在磁 場中受到電磁力的作用，通過換向器使導體進入異性磁場時， 導體中的 電流方向也相應改變，以維持電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，從而使直流電動機連 續(xù)旋轉(zhuǎn)，把直流電能轉(zhuǎn)換成機械能輸出。直流電機的組成直流電機主要由兩部分組成：定子和轉(zhuǎn)子定子又包括主磁極（磁極鐵心和勵磁繞組組成）、換向磁極（鐵心和換 向磁極繞組組成）、機座，端蓋等組成轉(zhuǎn)子（電樞）：轉(zhuǎn)軸、電樞繞組（許多線圈組成），換向器等組成3.3.2X軸和Y軸電機的選定由于X軸和Y軸是距離移動，如果用一般的電機控制，其速度基本 上是穩(wěn)定的，不能加快，也

18、不能減慢，還不能精確停位這樣會導致很多 的不便，因此步進電機和伺服電機就可以很好的解決這個問題，通過信號來控制電機速度，精度等。伺服系統(tǒng)（servo mechanism ）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被 控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服 主要靠脈迎來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的 脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來, 這樣，就能

19、夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達至U 0.001mm伺服電機的優(yōu)缺點 優(yōu)點：速度控制精確，轉(zhuǎn)矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒（無塵易爆環(huán)境不宜）價格比較貴。步進電機工作原理 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢 量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定 子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)

20、。所以可用控制脈沖數(shù)量、 頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。步進電機的特點1 .電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2 .電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）；3 .由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；4 .優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應；5 .由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽 命；6 .電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使 得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；7 .僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8 .由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速

21、范圍。本次的機械手的控制的電機我們使用的是步進電機 ，參數(shù)如下品牌LIKO兩相步進電機極數(shù)2極線數(shù)4額定轉(zhuǎn)速1 1000r/min型號42BYGH60-1684B電壓24V以下電流1.7A以下應用范圍激光設備，實驗臺，雕刻機，小機器人等42兩相步進電機，單出軸。接線方式：紅藍A+、A-,黑綠B+、B-此型號的步進電機電壓在我們所選取的電壓范圍類，所以該電機能夠正常的啟動，其載動量也很大，對于我們的這次設計任務能夠滿足我們的 要求，他也擁有著步進電機所有的優(yōu)點，該電機在市場的很容易買到， 經(jīng)濟實惠。步進電機的組成步進電機主要也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子上分布著磁極，磁極上有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子有轉(zhuǎn)軸，滾

22、珠軸承等。電機驅(qū)動器的選擇選擇步進驅(qū)動器首先根據(jù)所給電機的電壓、電流選擇，我們所給定的電壓是24v,所以步進電機的電源電壓也在這個值左右，步進驅(qū)動器的電源電壓也是24V,我們用的步進電機，起電流在1.7A以下，其型號的步進電機驅(qū)動器驅(qū)動最大電流是2A,能夠完全帶動步進電機的運行因此步進電機驅(qū)動器型號 SH2024B2滿足這個要求，SH2024B型步進電機驅(qū)動器是我廠精心研制開發(fā)的二相混合式步進電機驅(qū)動器電壓。工作電壓15-36V該驅(qū)動器采用PW訥式驅(qū)動,具有工 作電壓范圍寬、效率高，相電流、細分數(shù)可調(diào)，自動半流的特點，相電流 設定從0.52A,細分數(shù)設定有2、4、8、16、32、64共六檔，可

23、滿足微 步距驅(qū)動的要求，“說明式”的面板設計使操作使用方 便直觀。其使用說明OPTS輸入信號的公共端，OPTO端須接外部系統(tǒng)的VCC若VC3l+5V 則可直接連接，若VC以于+5V,則使用到的CR DIR、FRE端子分別外 串接限流電阻R,保證給內(nèi)部光耦提供815mA勺驅(qū)動電流，參見上表1DIR:方向電平信號輸入端，高低電平控制電機正/反轉(zhuǎn)。信號電平的改變應錯開CP脈沖下降沿3us以上。FREE脫機彳t號（低電平有效），當此輸入控制端為低時，電機勵磁電 流被關(guān)斷，電機處于脫機自由狀態(tài)。CP:步進脈沖信號輸入，下降沿有效，最高響應頻率不低于100KHz信號電平穩(wěn)定時間不小于3us相電流設定：？S

24、H2024B2型驅(qū)動器采用撥位開關(guān)設定相電流。驅(qū)動器細分設定后電機的步距角等于電機的整步步距角除以細分數(shù)。例如：細分數(shù)設定為2,驅(qū)動0.9° /1.8 0的二相電機，其細分步距角為1.8° /2=0.9°。注：撥位開關(guān)ON=0,OFF=1細分數(shù)設定好后驅(qū)動器須斷電復位（或脫機一次）方可有效。3.3.4微動選擇第一步選擇數(shù)字量Q0.0 和后在下一步相電流設大：（僅 1 2 3）開關(guān)1 2 3相電質(zhì)1 2 3相電質(zhì)個，按下一0 0 00.5A1 0 01.2A0 0 10.6A1 0 11.3A輸出口，Q0.1選擇0 1 00.8A1 1 01.6A0 1 11.0A1 1 12.0A選擇脈沖PTO或者PWM0為我們所選的驅(qū)動器是 PWME動的，因此我們選擇PW艇擇后在下一步最后直接點擊完成回到PLC編程頁面，點擊調(diào)用子程序點擊PWM0-RUN圖PLCs7-200自帶脈沖功能為我們提供了很大的方便，使程序變得簡易一 些3.3.8手爪的驅(qū)動方式第4章硬件設計4.1 機械手的簡單介紹4.2 本次用到的各種電器元件4.3 PLC控制機械手的結(jié)構(gòu)圖4.4 動作過程機械手開始處于原點，按下啟動按鈕，機械手沿 X軸前進，碰到后 限位開關(guān)后停止，然后機械手沿 Y軸下降，