（智能制造）上下料機器人控制系統(tǒng)設計

（智能制造）通用上下料機器人控制系統(tǒng)設計河南工程學院論文版權使用授權書下各項內容：按照學校要求提交論文的印刷本和電子版本；學校有權保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存論文；學校有權提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。論文作者簽名：年月日河南工程學院畢業(yè)設計原創(chuàng)性聲明聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：年月日河南工程學院畢業(yè)設計（論文）任務書題目通用上下料機器人控制系統(tǒng)設計專業(yè)機械設計及其自動化學號主要內容、基本要求、主要參考資料等：姓名操作方便，比較符合上下料控制系統(tǒng)的需要?；疽笸瓿赏ㄓ蒙舷铝蠙C器人控制系統(tǒng)設計。主要內容包括：1152文獻中），根據查閱的文獻資料情況，寫出文獻綜述（不少于3000字）；翻譯外文文獻一篇（譯文字數不少于3000字）。文獻綜述與翻譯單獨裝訂成冊。2．確定控制方案。3．寫出程序，流程圖。4．按要求撰寫畢業(yè)論文。參考資料：1．推薦參考書：[1]朱春波．PLC控制的氣動上下料機械手[J]．液壓氣動與密封,1999,21-24．[2][J],2002,8(2):31-32．[3]李允文．工業(yè)機械手設計[M]．北京:機械工業(yè)出版社,1996．[4]程憲平．可編程控制原理及應用．化學工業(yè)出版社，2009．8[5]史國生．PLC在機械手步進控制中的應用[J]．中國工控信息網,2005．1[6]王永華．現代電氣控制及PLC應用技術[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2009．2．學術期刊、學術會議等其它參考文獻自備。完成期限：指導教師簽名：專業(yè)負責人簽名：年月日目錄摘要.....................................................................IABSTRACT...................................................................II1緒論......................................................................11．1本課題研究背景的意義.............................................11．2國內外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢.......................................11．3本文的主要工作.....................................................22機械手簡介.............................................................32．1機械手的分類......................................................32．2常見機械手分類...................................................43控制方案................................................................93．1系統(tǒng)控制器的選擇................................................93．2PLC的基本知識..................................................103．3PLC、電機選型...................................................124控制系統(tǒng)設計.........................................................174．1硬件系統(tǒng)設計....................................................174．2軟件系統(tǒng)設計....................................................204．2．1梯形圖編語(LD-LadderDiagram)............................204．2．2控制流程圖....................................................214．2．3梯形圖設計....................................................22結束語......................................................................34致謝......................................................................35參考文獻...................................................................36通用上下料機器人控制系統(tǒng)設計摘要PLC輸出控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關將位置信號傳給可編程控制器PLC饋給PLC主機，通過控制機械手手爪的張合，從而實現機械手精確運動的功能。時更改相關參數。關鍵詞：PLC；可編程控制器；機械手GENERALFEEDINGROBOTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTManipulatorisatraditionalindustrialrobotsystemtaskexecutingagency,isoneofthekeycomponentsoftherobot．Themechanicalstructureofthemanipulatorwithballscrew,slider,suchasmechanicalparts;Hasacmotor,frequencyconverter,sensors,electricalandotherelectronicdevices．Thisunitcoverstheprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,testingtechnology,etc．ManipulatorisintroducedinthispaperbyPLCoutputcontrolmanipulatortransverseandverticalshaftprecisionpositioning,microswitchpositionsignaltohostprogrammablecontrollerPLC;PositionfeedbacksignalsfromtheproximityswitchtothePLChostcomputer,throughthecontrolofmanipulatorgripperzhang,soastorealizethefunctionofmanipulatormovementaccurately．Thistopicproposedthedevelopmentofgeneralloadingmanipulatorcancatchputobjectsintospaceandflexible,canreplaceartificialtooperateathightemperaturesanddangerousareas,andcanaccordingtotherequirementofthechangeandmovementoftheworkpieceprocessatanytimechangetherelatedparameters．KEYWORDS：PLC；Theprogrammablecontroller；manipulator1緒論1.1本課題研究背景的意義我國國家標準(GB/T12643-90)對機械手的定義:“具有和人手臂相似的動機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代科技的一個重要組成部分。機械手的積極效應越來越被認可,首先,它能部分地代替人的勞動并能達到生產工藝的要求,,它可以極大地改善工作條件的員工,,帶的注意先進單用更廣泛。在我國,現代也有近年發(fā)展迅速,取得了一定的成果,將各種工業(yè)部門的注意，本課題的工作為此提供了實際依據。1.2國內外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢機械手用于機械制造業(yè),下,點焊,噴漆,如作業(yè),能力,反饋的外部情況的變化,自作相應的修改。如位置略有偏差時,可迅速糾正和測試他們自己,中期實施側重于研究機械功能的視覺和觸覺。目前已經取得了,輕量級開發(fā)的趨勢。定位精度可以滿足要求的微米和亞微米級,運行速度可達3米/秒,新產品的數量的六軸、負載2公斤的產品系統(tǒng)現在的總重量100公斤。更重要的是機械手,柔性制造系統(tǒng),結合柔性制造單元,從根本上改變當前狀態(tài)的人工操作機械制造系統(tǒng)。同時,隨著小型化和微型化的機械手,息、生物技術、生命科學和向和航空航天等高端產業(yè)的發(fā)展。接到一臺計算機，并逐漸成為整個機械的基本單位制造系統(tǒng)[1]。1.3本文的主要工作1．問題提出：PLC知識點，根據實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)，在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法。2．系統(tǒng)設計的主要內容(1)擬定控制系統(tǒng)設計的技術條件。技術條件一般以設計任務書的形式來確定，它是整個設計的依據；(2)選擇電氣傳動的形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構；(3)選定PLC的型號；(4)編制PLC的輸入/輸出分配表或繪制輸入/輸出端子接線圖；(5)用梯形圖）進行程序設計；(6)了解并遵循用戶認知心理學，重視人機界面的設計，增強人與機器之間的友善關系；2機械手簡介2.1機械手的分類在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。一、按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手“加口工中心附屬的自動換刀機械手。2、通用機械手不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，型。二、按驅動方式分1、液壓傳動機械手此類是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手此類是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李般在30輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手此類機械手即由機械傳動機構()驅它常被用于工作主機的上、下料。4、電力傳動機械手前途。三、按控制方式分1、點位控制前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。2.2常見機械手分類按機械手的不同運動形式及組合情況，其坐標型式可分為以下幾類：(1)直角坐標式如圖2-1所示機械手，其手臂的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角坐標系的XZY圍。圖2-1直角坐標式機械手(2)圓柱坐標式如圖2-2即沿XZ軸的升降和繞ZZ軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。圖2-2圓柱坐標式機械手(3)球坐標式如圖2-3即沿XY軸的俯仰和繞Z坐標式機械手。物件方位的要求，常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。會引起手部中心處的誤差較大。圖2-3球坐標式機械手(5)關節(jié)式如圖2-4所示機械手，其手臂的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉動。它所組成，即大臂的俯仰（θ）、小臂的俯仰（θ2）和大臂的回轉（Ф）。這種它型式的機械手均復雜。圖2-4關節(jié)式機械手組合起來應用。標型式方案時，又須根據現場具體生產情況和工藝、精度、、安裝空間的要求，用性，精度，搬運物等綜合考慮選用圓柱坐標式機械手。3控制方案3.1系統(tǒng)控制器的選擇中，運動控制器還需要對具體的運動速度、加速度、位置誤差等進行實時監(jiān)控，(PC)為基礎的數字化控制系統(tǒng)、以高速的數字信號處理器(DSP)為核心的全數字化控制系統(tǒng)和以PLC為核心的全數字化控制系統(tǒng)。(1)基于PC技術的運動控制器PC技術的工業(yè)PCPC的運動控制器可以利用PC度、高精度實現軌跡形狀復雜的曲線或曲面。(2)基于DSP運動控制器20世紀90年代以來，數字信號處理（簡稱DSP)在運動控制器中得到越來越DSPDSPDSP來實現，掌握對機械手的控制比較困難。(3)基于PLC的運動控制PLCPLC位置環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制，能夠滿足高性能工業(yè)機器人位置和運動精度要求。雖然采用基于PC的運動控制器和基于DSP運動控制器也能夠實現機械手的運動PLCPLC電路板，只需在端子之間接線。因此本設計選用PLC為機械手運動控制器[2]。3.2PLC的基本知識PLC183660需求，PLC技術應時出現并快速發(fā)展。??PLC期的PLC從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時、計數、PID回路調節(jié)等功能的現代PLC仍然沿用著順序掃描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本結構。PLC接近現場設備的輸入/輸出端，中間，或不需要加多少部分需要更多的接口，這PLC的下端(輸入端)為PLC進行基本操作及編程。計算機。它有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。PLC的優(yōu)點(1)實時性，可靠性PLC產品的設計的開發(fā)是基于控制前提工業(yè)控制裝置，能滿足各種工業(yè)領域的大、中、小型工業(yè)控制項目。PLC所有的I/O輸入輸出信號均采用光PLCPLCCPU立的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)就具有極高的可靠性。(2)配套齊全，功能完善，適用性強PLCI/OPLC據運算能力，能夠適用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，能夠讓PLCCNCPLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(3)安裝簡單，易學易用PLCPLC的少量開關量邏輯原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制變得非常便捷。(4)安裝簡單，維修方便PLC需將現場的各種設備與PLC相應的I/O運行。(5)體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，想控制設備[６]。3.3PLC、電機選型1PLC機型的選擇根據被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，可進行PLC型號的選定。進行PLC選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、PLC都可較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。對帶有部分模擬量控制的ｗ裝置等。2輸入/輸出的點數：I/O點數可以衡量PLCI/O加上10%-20%的備用點數。多數小型PLC為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)PLC采用PLC的處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設備的選擇等。PLC再通過PLC的類型、輸入輸出模塊的選擇、電源的選擇、存儲器的選擇、冗余采用F系列的F1——60MR。3．電動機的選擇：Y2級高等特點，是Y系列電機的更新產品。外殼防護等級IP54，它具有良好的起E級或B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為ICO141，額定頻率為50Hz，額定電壓為380V。Y2-63M2-2250W生產需要。橫軸主要驅動橫臂的左右運動，承載重量較小，選用Y2-63M1-2，功率180W，即可滿足生產需要。電動機3主要用來控制機械手抓的加緊和放松，所承載負載最小，因此可選用Y2-63M1-4，功率120W。壓調頻電源的電力變換，本方案選擇FR-A504變頻器。變頻器的各回路接線端子如圖3-1所示，其中表示主回路接線端子，表示控制回路輸入接線端子，表示控制輸出接線端子。主回路接線及注意事項：圖3-1端子接線圖1．主回路接線主回路電源和電動機的連接如圖3-2所示。電源必須接R、S、T，絕對不能接UVW必須接R、S端。電機接到U、V、W端子上。當加入正轉開關（信號）時，電動機旋轉方向從軸向看時為逆時針方向。圖3-2電源和電機的連接2．主電路接線端子介紹及注意事項(1)主回路接線端子簡介1)交流電源輸入端子RST確保這些端子不連接（FR-HC2)變頻器輸出端子U、V、W：接三相籠型異步電動機。3)控制回路電源輸入端子R1、S1R、S連接。在保持異常FR-HCR-R1和S-S1之間的短路片，并提供外部電源到此端子。4)連接制動電阻器端子P/+PRPR-PXP/+PR之間連接選件制動電阻器（FR-ABR5)連接制動單元端子P/+、N/-：連接選件PR-BU型制動單元或電源再生單元（FR-RC）或高功率因數轉換器（FR-HC6)連接改善功率因數DC電抗端子P/+P1P/+與P1間的短路片，連接選件改善功率因數用電抗器（FR-BEL7)連接內部制動回路端子PR、PXPR-PX短路時（出廠時設定）內部制動賄賂變生效。8)接地端子變頻器外殼接地用，必須接大地。3．接線注意事項1)電源一定不能接到變頻器輸出端上（U、V、W2)靈和故障，必須始終保持變頻器清潔。在控制臺上打孔時，請注意不要使碎片粉末等進入變頻器中。3)為使電壓下降在2%以內，請用適當型號的電線接線。4)布線距離最長為500m。尤其長距離布線，由于布線寄生電容所產生的沖障。5)在P/+和PR6)電磁波干擾，變頻器輸入/輸出包含有諧波成分，可能干擾變頻器附近的小。7)不要安裝電力電容器，浪涌抑制器和無線電噪聲濾波器在變頻器輸出側。這將導致變頻器故障或電容和浪涌抑制器的損壞。如上述任何一種設備已安裝，請立即拆掉。8)10min壓后進行。斷電一段時間內，電容上仍然有危險的高電壓。4．傳感器;采用微動開關作為橫軸、縱軸限位檢測用。電平。微動開關：當擋塊碰到微動開關動作（常開點閉合）。5．旋轉碼盤機械手每旋轉3度發(fā)出一個脈沖[7]。4控制系統(tǒng)設計4.1硬件系統(tǒng)設計PLC硬件設計是指PLC及控制臺、柜的設計等。硬件設計還包括PLC輸入/輸出通道的分配，為便于程I/OI/O及功能等。機械手控制系統(tǒng)電器原理圖。操作面板及動作說明關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。其操作面板如圖4-1所示：圖4-1機械手操作面板示意圖可編程序控制器采用F系列的F1——60MR。I/O地址分配如表所示I/O地址分配一覽表輸入：輸出：Y0X0橫軸正限位豎軸正限位橫軸反限位豎軸反限位旋轉脈沖橫軸脈沖豎軸脈沖橫軸方向豎軸方向手正轉X1Y1X2Y2X3Y3X4Y20Y21Y22X20X21手正轉限位手反轉限位手反轉底座正轉X22X23底座正限位底座反限位Y23Y24底座反轉電磁閥動作表4-1I/O地址分配表(1)確定輸入輸出接點的總數輸入接點：啟動按鈕SB、行程開關SQ1——SQ4、光電開關SQ5，一共6個。輸出接點：YV1——YV2總共5個。(2)估算PC內存總數選取PC類型，PC內存總數取決于程序指令總條數。PC內存總數又是選取PC類型的重要依據，為此依據下面的經驗公式對指令總條數進行估算。指令總條數=（10——20）*（輸入點數+輸出點數）本例中指令總條數為（10——20）*（6+5）=110——220條。(3)輸入輸出點分配如下圖是機械手輸入和輸出信號與PC輸入輸出端子的分配圖，其中根據需動作。圖4-1機械手PC輸入/輸出端子的分配(4)控制電路設計主要是PLC輸入、輸出接線的設計，其I/O分配如圖圖4-2PLCI/O分配圖(4)方案選擇考慮到機械手在工作時間時可能發(fā)生誤動作行程開關而引起的不安全動作，各個輸入開關信號只能在規(guī)定的狀態(tài)發(fā)生作用，例如，SQ1的閉合信號只能當機械手位于原位而且按下SB2后或從原位右移到右位后才能起作用，其他狀態(tài)時SQ1不起作用。為了達到這一目的，選擇使用移位寄存器來完成順序控制[6]。4.2軟件系統(tǒng)設計4.2.1梯形圖編語(LD-LadderDiagram)PLC編程一個簡名為梯形圖。兩個垂直電軌線左側和右側的梯形圖程序中，在左側的電源軌線，圖程序如圖4-2所示:圖4-3梯形圖程序示例梯形圖的每個梯級表示一個因果關系,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面事件發(fā)生的結果表示在梯級的右面。梯形圖編程語言具有如下特點:(1)與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性;(2)與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習;(3)對于復雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰;(4)可讀性仍不夠好。幾乎所有PLC廠商提供的PLC都支持梯形圖編程語言,而且都比較容易理解，只是在梯形圖結構上可能稍有變化。比如西門子的S7系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。4.2.2控制流程圖機械手工作流程圖如下圖所示。把可編程序控制器主機上的RUN-PROG的開關撥在RUN止，PLC回、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉，然后豎軸下降，電磁閥動作，手張開；延時后豎軸上升復位；然后開始下一周期動作[12]。圖4-4機械手搬運流程圖4.2.3梯形圖設計形，很容易進行程序設計。（1）根據機械手的工作方式情況，選擇“梯形圖的總體設計程序;“自動體構成如下圖所示。其中，自動程序要在啟動按鈕按下時才執(zhí)行。圖4-5機械手PLC控制梯形圖總體構成（2）各部分梯形圖的設計通用部分梯形圖設計AS600在手動方式下被置位、復位。當方式選（X501X505;（X500S600位操作，即在方式選擇開關位于“單步操作”或“返回復位”時，中間狀態(tài)器始繼續(xù)工作，則不需要M71）狀態(tài)器初始化梯形圖。圖4-6狀態(tài)器初始化BS600被置位后，按下啟動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態(tài)器的狀態(tài)可以一步步向下傳遞，即可以進行轉換。在執(zhí)行“連續(xù)操作”程序時，轉換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一方面，采用M100檢查機器是否處于原位。當M575和M100都接通時，從初始狀態(tài)開始進行轉換，其梯形圖如下圖。圖4-7狀態(tài)器轉換啟動梯形圖C狀態(tài)器轉換禁止梯形圖：激活特殊輔助繼電器M574，并用步進指令控制狀態(tài)器轉換時，狀態(tài)器的自動轉換就被禁止。在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應被激勵并保持，操作停M574重新允許轉換。在“步進”工作方式時，M574應始終工作，此時，禁止任何狀態(tài)轉換。但每按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態(tài)器轉換一步。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態(tài)轉換禁止解除，M574復位。PLC在啟動時，用初始化脈沖M71使M574自保持，以次禁止狀態(tài)轉換，直到按下啟動按鈕。狀態(tài)器轉換禁止梯形圖如下。圖4-8狀態(tài)器轉換禁止梯形圖程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通（按下啟動按鈕時除外）；執(zhí)行“步進”程序時，每按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態(tài)器轉換一次；M574M575M574行“連續(xù)操作”程序時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。D單步操作梯形圖輸出Y431自保持，只有按下松開按鈕時，Y431才會復位；按下上升按鈕，上升輸出Y432保持接通；按下下降按鈕，Y430保持接通；在上限位按下左行按鈕，左行輸出Y434保持接通；在上限位按下右行按鈕，右行輸出Y433保持接通。單步操作是梯形圖如下圖。圖4-9機械手單步操作梯形圖E返回原位梯形圖動作應動作應停止，并左行至左限位位置。返回原位梯形圖如下圖。圖4-10機械手返回原位梯形圖F“自動”狀態(tài)梯形圖如下圖表示了機械手自動工作時執(zhí)行各工步的情磁閥Y430接通。自下限位置時，X401接通，轉化為“夾持”過程。在夾持工步中，夾持電磁閥Y431置位，同時驅動T450。T450接通后，轉化為第一次上升。輸出Y431置位后，保持夾持，直到夾持輸出復位松開。如上述一步步按順序驅程序很難實現程序設計。圖4-11機械手自動工作流程圖初始狀態(tài)在圖中用雙線框表示。圖4-12機械手自動工作功能表圖根據上圖所示的功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖，如下圖所示。圖4-13機械手自動工作梯形圖機械手PLC控制的梯形圖，如下圖所示。圖4-14機械手PLC控制梯形圖，工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則應將工作方式選擇