机械手毕业设计论文1.doc

1、基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 1 页 共 30 页 江西现代职业技术学院 毕业设计（论文） 题目： 基于 PLC 的机械手控制系统的设计 姓 名 鲍文 学 院 信息工程分院 专 业 电气自动化 班 级 09 电气自动化班 指导 老师 李莹 提交 时间 年 月 日 - 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 2 页 共 30 页 论文题目：基于 PLC 的机械手系统控制 姓 名： 鲍文 班 级： 09 电气自动化班 指导教师： 李莹 摘要 ： 机械手 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、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

2、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。 机械手主要由手部和运动机构组成。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

3、个自由度。 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 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 3 页 共 30 页 关键词 :点控制机械手 连续控制机械手 可编程控制技术 目 录 摘要 . 2 引言 . 4 1 PLC 的发展历程和构成 . 5 1.1 PLC 的发展史 . 5 1.2 PLC 的构成 . 6 1.3 CPU 的构成 . 7 1.4 I.O 模块 . 7 1.5 电源模块 . 8 1.6 底版和机架

4、 . 8 1.7 PLC 系统的其他设备 . 8 2 机械手的组成 . 9 2.1 机械手的发展 . 9 2.2 动力臂的机械构造 . 10 2.3 控制和动力臂的机械构造 . 10 2.4 位置控制系统 . 10 2.5 负载反传系统 . 10 3 机械手 PLC 控制的设计 . 11 3.1 根据工艺过程分析 控制要求 . 11 3.2 确定所需的用户输入 /输出设备及 I/O 点数 . 14 3.3 PLC 的选择 . 17 3.4 分配 PLCI/O 点的编号 (定义号 ) . 17 3.5 PLC 程序设计 . 17 个 人小结 . 29 参考文献 . 30 基于 PLC 的机械手控

5、制系统毕业设计 第 4 页 共 30 页 引言 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置； 本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。 机械手的结构主要由手指，手腕，小臂和大臂等几部分组成。料架为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每次转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件对准机械手。 而可编程控制器（）由于 其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。 PLC 控制系统采用三菱 F

6、1 系列超小型 PLC 对机械手进行动作控制。各动作由油泵电机（采用 Y100L2-4.3KM）液压驱动，并由电磁阀控制。其中油泵电机及各电磁阀运行状态均有指示灯显示 根据我们所设计的机械手的驱动部件为步进电机的特点，应用移位寄存指令可以很方便、灵活地对机械手进行控制。 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 5 页 共 30 页 1 PLC 的发展历程和构成 1.1 PLC 的发展历 可编程序控制 器的英文为 Programmable Controller，在二十实际七十至八十年代一直简称为 PC。由于到 90 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大

7、，所以美国 AB 公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（ PLC， Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称 PLC 为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为 PCS 可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出 取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代 PLC 产品了。 在八十年代至九十年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为

8、3040%。由于 PLC 人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS 的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业 PC（ IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展， IPC 和 FCS 也挤占了一部分 PLC 市场，所以近年来 PLC 增长速度总的说是渐缓。 目前全世界有 200 多厂家生产 300 多品种PLC 产品，主要应用在汽车（ 23%）、粮食加工（ 16.4%）、化学 /制药（ 14.6%）、金属/矿山（ 11.5%）、纸浆 /造纸（ 11.3%）等行业。 国内 PLC 生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制

9、、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说 PLC 在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。 PLC 的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC 配套的机电一体化 产品的比例占 42%，采用继电器、接触器控制尚有 24%。所以说，需要应用 PLC 的场合还很多，在我国就更是如此了。 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 6 页 共 30 页 PLC 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。 PLC

10、控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙 C200HE 为例，为总线模板框式结构，基本框架（ CPU 母板）上装有 CPU 模板，其它槽位装有 I/O 模板；如果 I/O 模板多时，可由 CPU 母板经 I/O 扩展电缆连接 I/O扩展母板 ，在其上装 I/O 模板；另一种方法是配备远程 I/O 从站等。这些都说明了 PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的 PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。 PLC 内的 I/O 模板，除一般的 DI

11、/DO、 AD/DA 模板外，还发展了一系列特殊功能的 I/O 模板，这为 PLC 用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC 模板，用于反馈控制的 PID 模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模 板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。 PLC 中的 CPU 与存储器配合，完成控制功能。它与 DCS 系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为 0.10.2 秒，更快的则选用 50 毫秒或更小的消灭

12、周期。它是一个数字采样控制系统。 由于各 PLC 厂家产品在指令系统上的差异及编程方法上用户要求不同，近年来IEC 制订了基于 Windows 的编程语言标准 IEC61131-3（注： 1993 年 IEC 颁布可编程序控制器的国际标准 IEC1131），它规定了指令表（ IL）、梯形图（ LD）、顺序功能图（ SFC）、功能块图（ FBD）、结构化文本（ ST）五种编程语言。这包括了文本化编程（ IL、 ST）和图形编程（ LD、 FBD）两个方面，而 SFC 则在两类编程语言中均可使用。 IEC 技术委员会（ TC65）进来开展了 IEC61499 项目，将 IEC61131-3 进行了

13、扩展，它是针对通过通信网络互联的模块化分布系统的体系结构的标准，将对IEC61131-3 有所改善。这是以数字技术为基础的 可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件，是 PLC 发展的一大趋势。 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 7 页 共 30 页 一个或若干 PLC 与 PC 机联出系统， PC 机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这 20 世纪 90 年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件（监控软件或称组态软件）及软件接口（或称驱动软件）也得到了发展。 1.2 PLC 的构成 从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定

14、式 PLC 包括 CPU板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块 、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 1.3 CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应

15、的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联 系的数据、控制及状态总线构成， CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 1.4 I/O 模块 PLC 与 电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 PLC的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输

16、出模块相反。 I/O 分为开关量输入（ DI），开关 量输出（ DO），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等模块。开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔离方式分，有继基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 8 页 共 30 页 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA）、电压型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外

17、，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确 定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 1.5 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。 1.6 底板或机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体

18、。 1.7、 PLC 系统 的其它设备 1、编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 EPROM、 EEPROM 写入器、条码阅读器，输入模拟 量的电位器，打印机等。 基于 PLC

19、 的机械手控制系统毕业设计 第 9 页 共 30 页 2 机械手的组成 2.1 机械手的发展 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手由以下结构： 执行机构 驱动 -传动机构 控制系统 智能系统 远程诊断监控系统，五部分组成。 机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现： 1、自由度的旋转 2、肩的前后动作 3、肘的上下动作 4、腕 (手 )的动作 驱动 -传动机构与执行机构是相辅相成的 ，在驱动系统中可以分 :机械式、电气式、液压式和复合式，其中制，本设计主要设计

20、 PLC 的控制部分。 液压操作力最大。 控制系统采用西门子 PLC 控制。本设计运动形式 :前后、上下两个自由度运动，均由液压伺服系统控制，该控制系统的设计是可以给操作臂一个信号的动力反馈系统。该工作臂类似一个伸缩仪。在方位、肩部和肘部上的轴直接控制位置，利用主臂控制速度。在机械手的操作柄有一个按钮来控制工作头（降低、翻转、倾斜和抓住的装置）。控制系统的特性是可以使操纵器以一定的速度和精确性进行工作。 工业机械手的结构是基于模组块系 统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。在设计上考虑维修的简单性。维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。

21、 工业机械手传输在末端工具上的力或负载的感觉到操作者的手中 (动力反馈 )“动力反馈”的意思是在机械手臂末端上的力有一小部分反馈到操作柄。减少比率意味着操作者必须用 2 公斤的力才能将工具额定的负载举起。对于动力反馈，操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况 (惯性和加速度 )。通过提供额外的力，操作者可以优先确定使用的力和搬运的路径，目的 是为了获得一个快慢速。、 基于 PLC 的机械手控制系统毕业设计 第 10 页 共 30 页 2.2 动力臂的机械构造 动力臂由上臂和一个较底臂 (下臂 )连接组成，它建立一个围绕垂直轴旋转的支撑上。在垂直面的运动是围绕水平轴 (称之为肩

22、轴 )的上臂运动和围绕第二个水平轴 (称之为肘轴 )下臂的旋转运动叠加而获得的。上臂的运动是通过液压缸直接控制，下臂的运动是由液压缸通过一个可以围绕肩轴旋转并且通过一个传送横梁来控制。方位角的运动是通过一个安装支撑面上的液压马达进行控制的，马达通过与基础板连接的差动器的侧伞齿轮上的小齿轮来带动。通过横梁和和肘部零件的连接保持最终配置部件的位置恒定不 便。这样上臂和下臂的运动各自具有独立的方向。 2.3 控制和伺服系统 操纵臂包含通过三个控制电路操控动力臂所有元件。操纵柄包含所有控制配置装置上工作头的功能操控装置。 2.4 位置控制系统 操作臂上的电位计随该臂的移动给出一个控制电压，同时动力臂的

23、移动带动反馈电位计产生一个极性相反与位移成比例的反馈电压，两者同时输入电子控制器进行比较产生偏差电压，经过电子控制器的转换，输出一相应的电流信号给电液伺服阀，从而操控动力臂移动到操控所要求的位置，若偏差信号为“ 0”，于是动力臂将停止在这个位置。 该 系统并装有压力传感器，它将负载信号输送到电子控制器，起到动压反馈的作用，它将改善系统的动态特性（如：稳定性等） 2.5 负载反传系统（原名：动力反馈系统） 工业机械手，为了给操作者在操作过程中能有负载变化的感觉，设置了将机械手传输在末端工具上的力或负载成比例地传到操作者手中的装置。它使操作者必须使用两公斤的力才能将工具额定的负载举起，可以让操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况（惯性和加速度），通过操作力的改变，操作者可以正确的确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快速和最佳的 工作周期。