1、 1本科毕业论文（20 届）基于 PLC 的机械手控制系统设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期21 绪论1.1 课题研究背景及意义工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状
2、态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械
3、手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于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。机械手的迅速发展是由于它具有的积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求；遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和卸载；其三，它能操作必要的机具进行辉接和装配；其四，机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，保障工人人身安
4、全，显著地提高劳动生产率，提高产品的质量与产量，节约原材料消耗以及降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自3动化的步伐。因而,机械手受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染性的场所,应用更为广泛。随着现代工业生产的迅速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。因而对机械手的控制要求也越来越高，若用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多,接线繁杂、稳定性差、故障率高,给工业生产带来很多不便。针对这些问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器 PLC 设计其控制系统，可使该系统的运行可靠性高、故障率低、维修方便,取得良好的
5、工作效果1。Programmable Logical Controller 简称为 PLC。但近年来,PLC 米用微处理器作为中央处理单元，不仅有逻辑控制功能,还有算术运算、模拟量处理甚至通信联网功能，正确应称为 PC，但为了与个人计算机有所区别,仍称其为 PLC。PLC 有以下几大优点:(1)可靠性高，抗干扰能力强。工业生产一般对控制设备的可靠性要求很高，并且要有很强的抗干扰能力。PLC 能在恶劣的环境中可靠的工作，平均无故障时间达到数万小时以上，已被公认为最可靠的工业控制设备之一。PLC 本身具有较强的自诊断功能，保证硬件核心设备（CPU、存储器、I/O 总线等）在正常情况下执行用户程序，
6、一旦出现故障则立即给出出错信号，停止用户程序的执行，切断所有输出信号，等待修复。PLC 的主要模块均采用大规模和超大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路。在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确的考虑，在硬件上采用隔离，屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施，在软件上采用数字滤波等措施。与继电器系统和通用计算机相比，PLC 更能适应工业现场环境要求。(2)硬件配套齐全，使用方便，适应性强PLC 是通过执行程序实现控制的。当控制要求发生改变时，只要修改程序即可，最大限度地缩短了工艺更新所需要的时间。PLC 的产品已标准化、系列化、模块化，而且 PLC 及配套产品的模块品种多，用户
7、可以灵活方便地进行系统配置组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。在 PLC 控制系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要进行大量且复杂的硬接线，并且 PLC 有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。(3)编程直观、易学易会4PLC 提供了多种编程语言，其中梯形图使用最普遍。PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此 PLC 程序的编制采用梯形图的简单指令形式。梯形图与继电原理图相似，这种编程语言形象直观，易学易懂，不需要专门的计算机知识和语言，现场工程技术人员可在短时间内学会使用。用户在购买 PLC
8、后，只需按说明书的提示，做少量的接线和进行简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。(4)系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便 PLC 用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大为减少。同时 PLC 的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，模拟调试好后再将 PLC 控制系统安装到生产现场，进行联机调试，既安全，又快捷方便。 PLC 的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。当发生故障时，可以根据PLC 的状态指示灯显示或编程器提供的信息迅速查找到故障原因，排除故障。(5)体积小，能耗低 由于 PLC
9、 采用了半导体集成电路，其体积小，重量轻，结构紧凑、功耗低、便于安装，是机电一体化的理想控制器。对于复杂的控制系统，采用 PLC 后，一般可将开关柜的体积缩小到原来的 1/10-1/22。1.2 研究现状及发展趋势1.2.1 机械手的研究现状及发展趋势机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料,以及点辉、喷漆等作业,它可按事先制订的程序完成操作,但普通不具备传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,将引起零件甚至机械手本身的损坏。目前工业机械手的应用逐步扩大,技术性能在不断提高。由于发展时间较短,人们对它有一个逐步认识的过程,机械手在技术上还有一个逐步完善的过程:(1)扩大机械手在
10、热加工行业上的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多,而在铸、锻、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等,给机械手的设计、制造带来不少困难,这就需要解决技术上的难点,使机械手5更好地为热加工作业服务。同时,在其它行业和工业部门,也将随着工业技术水平的不断提高,而逐步扩大机械手的使用。(2)提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣,决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标,是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求,除了从解决缓冲定位措施入
11、手外,还应发展满足机械手性能要求价格低廉的电液伺服阀,将伺服控制系统应用于机械手上。(3)发展组合式机械手从机械手本身的特点来说,可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新,多品种小批量的要求,但是它的成本高,专用机械手价格低廉,但适用范围又受到限制。因此,对一些特殊用途的场合,就需要专门设计、专门加工,这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求,可将机械手的结构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件,升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部份等)根据作业的要求,选择必要的能完成预定机能的单元部件,以机座为基础进行组合,配上与其相适应的控制部分,即成为能完成特殊
12、要求的机械手。它可以简化结构,兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性,便于标准化、系列化设计和组织专业化生产,有利于提高机械手的质量和降低造价,是一种有发展前途的机械手。(4)研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合,工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等,机械手不能自动分辨纠正,而只能停机,待人们排除意外事故后才能继续工作。因此,人们对机械手提出了更高的要求,希望使其具有“视觉” 、 “触觉”等功能,使之对物件进行判断、选择,能连续调节以适应变化的条件,并能进行“手、脚”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计
13、算机,要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉“、触觉”反馈的,由计算机控制的,具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人” 。所谓“智能”是包括识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉” 、 “触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。具有感觉功能的机器人,其工作性能是比较完善的,能够准确地夹持任意方位的物件,判断物件重量,越过障碍物进行工作,自动测出夹紧力大小,并能自动调节,适用于从事复杂、精密的操作,如装配作业等,6它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术,对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控
14、制技术的一个新兴的领域。随着科学技术的发展,智能机器人将会代替人做更多的工作。为此,机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手,设它拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化作相应的变更,如位置发生稍些偏差时即能更正,并自行检测。重点是研究“感觉”功能,将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态3。1.2.2 PLC 的研究现状及发展趋势微处理器技术、存储技术的发展十分迅猛，功能更强大，价格更便宜，研发的微处理器针对性更强。这为可编程序控制器的发展提供了良好的环境。大型可编程序控制器大多采用多 CPU 结构，不断地向高性能、高速度和大容量方向发展。
15、可编程序控制器 PLC 目前的主要应用方面: (1)逻辑控制可编程序控制器具有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。(2)运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。(
16、3)过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0 模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的 A/D 转换和 D/A 转换，并对被控模拟量实行闭环 PID（比例-积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有 PID 闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等7设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。(4)数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、
17、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(5)构建网络控制。可编程序控制器的通信包括主机与远程 I/0 之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的 PID 指令和智能 PID 模块，某些可编程序控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高4。PLC 的发展趋势有以下几个方面：(1)向普及化
18、方向发展由于微型可编程序控制器的价格便宜，体积小、重量轻、能耗低，很适合于单机自动化，它的外部接线简单，容易实现或组成控制系统等优点，在很多控制领域中得到广泛应用。(2)向模块化、智能化发展可编程序控制器采用模块化的结构，方便了使用和维护。智能 I/O 模块主要有模拟量 I/O、高速计数输人、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、热电阻输入、条形码阅读器、多路 BCD 码输人/输出、模糊控制器、PID 回路控制、通信等模块。智能 I/O 模块本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。它们可以完成可编程序控制器的主 CPU难以兼顾的功能，简
19、化了某些控制领域的系统设计和编程，提高了可编程序控制器的适应性和可靠性。(3)向软件化发展编程软件可以对可编程序控制器控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参8数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通信接口的参数等。在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。可编程序控制器编程软件有调试和监控功能，可以在梯形图中显示触点的通断和线圈的通电情况，查找复杂电路的故障非常方便。历史数据可以存盘或打印，通过网络或 Modem 卡，还可以实现远程编程和传送。(4)向通信网络化发展伴随科技发展，很多工业控制产品都加设了智能控制和
20、通信功能，如变频器、软启动器等。可以和现代的可编程序控制器通信联网，实现更强大的控制功能。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过 Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。相当多的大中型控制系统都采用上位计算机加可编程序控制器的方案，通过串行通信接口或网络通信模块，实现上位计算机与可编程序控制器交换数据信息。组态软件引发的上位计算机编程革命，很容易实现两者的通信，降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性。国际上比较著名的组态软件有Intouch、Fix 等，国内也涌现出了组态王、力控等一批组态软件。有的可编程序控制器厂商也推出了
21、自己的组态软件，如西门子公司的 WINCC5。92.系统硬件设计2.1 系统方案分析在工业自动化生产中常用的控制系统：传统继电器接触器控制系统、PLC 控制系统和微机控制系统这三种。本设计选用 PLC 控制系统,因为其具有更好的使用性、经济性、可靠性、通用性，同时使用点位控制， 。当机械手动作流程改变时，只需改变 PLC 程序即可实现，非常方便快捷。机械手的设计最终目的是可以完成工件的传输，主要动作是下降、夹紧、上升、左移、下降、放松、上升、右移回原位和工序延时控制，控制动作基本上是以简单的顺序逻辑动作为主，属于典型的继电逻辑顺序动作控制系统。选用两自由度的机械手即可完成在平面内任意位置抓取物
22、体并移到下一工位6。2.1.1 系统方案设计通过分析机械手选择二自由度即可满足需求。本设计中机械手采用上下升平面结构，一个循环周期可分为八个工步。机械手可实现自动、单动、手动7。（1）自动控制。一旦系统启动之后，就可以按照工程要求进行控制。整个控制过程无人干预。一个循环之后可以自启动下一个循环。由于整个过程无需人工干预，所以对整个系统的输入/输出要求都很严格，系统的可靠性、安全性设计尤为重要。（2）单动控制。这种控制的特点是，一旦控制系统被启动起来之后，控制过程将自动完成。不需要人工去干预。但是，当一个周期完成以后，它会停止而不会继续启动系统运行。如果系统需要再次启动则必须再次人工启动。所以又
23、把这种控制叫半自动控制。这种控制在实际控制中很常见，它比手动控制方便，速度也很快。虽然它比自动控制速度慢些，在控制过程中进行参数的修改、调整比自动控制更方便。（3）手动控制。控制过程主要靠手动去实现。只是有个别环节，如连锁保护、过限保护等环节可以自动实现。手动控制是一种最基本的控制方法，特别是系统在调试和维修过程中必不可少。如图 2.1 所示，为机械手的结构设计，用电机正反转来控制机械手的上下移动10和左右移动。用限位开关来控制小车的位置，从而把工件从工作台 A 移到工作台 B8。I0.6 左限位 I0.7 右限位I0.4 上限位夹紧放松I0.5 下限位工件图 2.1 机械手结构示意图根据系统设计方案，则机械手的控制面板如下图，图 2.2。控制面板的设计可便于按键的选择，其分为左右两部分。左为控制方式，右为手动控制按钮。当选择了手动控制后，可根据需要通过右部分控制对机械手进行控制。当按停止键时，所有的程序都停止9。工作台 A 工作台 B控制方式选择按钮 手动控制按钮 自动 下降 单动 上升 手动 夹紧 停止 左移 右移
