基于PLC机械手控制系统设计.doc

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1、.* 四川工程职业技术学院学生毕业综合实践报告基于PLC机械手控制系统设计学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导老师： 完成时间： 摘要 随着科学与技术的发展，机械手广泛应用于采矿、冶金、石油、化学、船舶等传统领域，同时也已开始扩大到航空，航天。生化、医药、核能等高科技领域中，本文目的主要是利用可编程控制器作为载体，设计一套程序取驱动机械手进行预订动作实现对目标的抓取、搬运及投放，根据需求变化改变搬运轨迹，整个系统利用plc技术位置控制技等关键词：机械手、可编程逻辑控制器abstractWith the development of science and technology, manipu

2、lator 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 a

3、s 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目录绪论1.1机械手应用背景与意义机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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、拖持型和吸附型等。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、收缩、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，机械手的灵活度越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机

5、械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一种新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个

6、重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛，。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，收到机械工业和铁路部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年

7、来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。随着我国工业的跨越式发展，机械手作为工业生产及装备制造业中处在及其重要的位置。在工业生产和装备制造领域中充当着非常重要的角色，尤其是它能代替人工在有害环境中进行操作以保护人工的生命安全，在各个领域都有机械手的影子：机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普通；在装配作业应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件；在劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境，可代替人的劳动；可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等；宇宙及海洋的开

8、发；军事工程及生物医学方面的研究和实验。1.2机械手应用国内外发展现状机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。机械手研究开始于20世纪中期，一方面，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1964年第一台数字计算机问世以来，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的发展，这为机械手的开发奠定了基础；另一方面，核能技术的研究需要某些操作机械代替人处理放射性物质，在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式主从机械手。机械手首先是由美国开发研制的，50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动

9、机床、自动生产线和加工中心中应用。完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。1954年美国戴尔沃最早提出了工业机器人的概念，并申请了示教，机械人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机机器人，现在的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一弹机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“ERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用期。在我国，机械手市场份额

10、大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序，结合式，液压伺服型同用机械手，并开始了机械学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机械手大约1/3用于生产。经过80年代尤其是后5年的努力，吸引了160多个单位从事机械手及相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机械手设计，研制，应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强

11、国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政府支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。我国主要开发的机械手由喷涂机械手、焊接机械手、搬运机械手和装配机械手。这些工业机械手主要由类似人的手和臂组成，它可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，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。第2章控制要求 本次的设计需要自己对机械手进行各种器件的选择，并且编程通过PLC运行程序，实现机械手上下，左右移动和夹取物品，本次的操作要求是通过手动和自动的方式来实现设计目标，其

12、中自动有三种方式。 单步运动：按下按钮机械手完成这个动作就停止。 单周运动：按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作后，停在原位。 连续运动：机构停在原位时，按下启动按钮，机构自动执行周期工作。按下复位键复位。第3章设备选型3.1.控制的选型输出刷新三个阶段。PLC的特点：1、抗干扰能力强、可靠性高。2、控制系统结构简单，通用性强。3、编程方便，易于使用。4、功能强大，成本低。5、设计、施工、调试的周期短。6、维护方便。3.2.2常用PLC介绍在中国，PLC的型号有很多种，而且生产的厂家也不同，其类型也有所不同，使用起来也都不相同， 三菱PLC采用一类可编程的存储器，用于其

13、内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时计时与操作等面向用户指令，并通过数字或模拟量输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，三菱PLC在中国常见的型号有FR-FX1S,FR-FX2N,FR-FX30等。其特点和许多PLC相似，编程简单、可靠性高、高速运算等，其缺点是，模拟量模块比较昂贵且程序复杂。西门子PLC在中国市场的占有率很大，广泛的应用在多种领域里。也是技术比较成熟、最具有特色和最具有代表性的微型plc，除基本的指令表编程外，还可以用采用梯形图及对应机械动作流程进行顺序功能图编程，而且这些程序可以互相转换。其S7系列plc体积小，速度快，具有网络通信能力功能更强等，而且还具有强大的中文

14、功能。综上，西门子plc更加符合我们经济和要求，因此我们选择plc作为本次的控制中心。3.2.3西门子PLC的选型西门子PLC的主要型号有S7-200，S7-300，S7-400，S7-1200几种型号，其用途也会有所不同，S7-200用于小型的电气系统中，着重逻辑控制，S7-300用于稍大的控制系统，可实现复杂的工艺控制，s7-400用于大型控制系统，主要实现冗余控制等，由于我们这次是对模型的机械手控制，属于小型的控制系统，而且逻辑控制要求也比较高，因此我们选择西门子PLCS7-200 CPU224 CDC/DC/DC作为本次控制中心的型号，由于此型号只有14个输入点10个输出点，而我们要2

15、4个输入点11个输出点，远远不够我们的需求，我们还需要一个扩展模块。S7-200的扩展模块有。1. 输入扩展模块EM221: 共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。2. 输出扩展模块EM222：共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。3. 输入/输出混合模块EM223：共有6种产品。其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。4. 模拟量输入扩展模块EM231。5. 模拟量输出扩展模块EM232。6. 模拟量输入/输出扩展模块EM235。7. 图2.1 S7-200 CPU外型图因此扩展模块

16、EM223符合我们的要求，还可以留有一定的余量。3.3 电机的选择3.3.1底座和手爪电机的选定我们在选择的过程中，首先考虑到我们所选的器件是否能达到我们的预定要求，性价比等，我们这次选择的控制中心式直流输出，而电机又是直接受控制中心控制运行的，因此我们选择俩个永磁直流电机，其型号为70TYZ05，工作电压为24V以下.工作电流小于5.1A作为底座和机械手爪的旋转驱动。直流电机的工作原理 直流电机再外加电压的作用下，在导体中形成电流，载流电体在磁场中受到电磁力的作用，通过换向器使导体进入异性磁场时，导体中的电流方向也相应改变，以维持电磁转矩方向不变，从而使直流电动机连续旋转，把直流电能转换成机

17、械能输出。直流电机的组成 直流电机主要由两部分组成：定子和转子定子又包括主磁极（磁极铁心和励磁绕组组成）、换向磁极（铁心和换向磁极绕组组成）、机座，端盖等组成转子（电枢）：转轴、电枢绕组（许多线圈组成），换向器等组成3.3.2X轴和Y轴电机的选定由于X轴和Y轴是距离移动，如果用一般的电机控制，其速度基本上是稳定的，不能加快，也不能减慢，还不能精确停位这样会导致很多的不便，因此步进电机和伺服电机就可以很好的解决这个问题，通过信号来控制电机速度，精度等。伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉

18、冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。伺服电机的优缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（无尘易爆环境不宜）价格比较贵。步进电机工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流

19、流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。步进电机的特点1电机旋转的角度正比于脉冲数；2电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4优秀的起停和反转

20、响应；5由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。本次的机械手的控制的电机我们使用的是步进电机,参数如下品牌LIKO类型两相步进电机极数2极线数4额定转速11000r/min型号42BYGH60-1684B电压24V以下电流1.7A以下应用范围激光设备，实验台，雕刻机，小机器人等42两相步进电机，单出轴。接线方式：红蓝A+、A-,黑绿B+、B-此型号的步进电机电压在我们所

21、选取的电压范围类，所以该电机能够正常的启动，其载动量也很大，对于我们的这次设计任务能够满足我们的要求，他也拥有着步进电机所有的优点，该电机在市场的很容易买到，经济实惠。步进电机的组成步进电机主要也是由定子和转子组成，定子上分布着磁极，磁极上有励磁绕组，转子有转轴，滚珠轴承等。3.3.3步进电机驱动器的选择选择步进驱动器首先根据所给电机的电压、电流选择，我们所给定的电压是24v，所以步进电机的电源电压也在这个值左右，步进驱动器的电源电压也是24V，我们用的步进电机，起电流在1.7A以下，其型号的步进电机驱动器驱动最大电流是2A，能够完全带动步进电机的运行因此步进电机驱动器型号SH2024B2 满

22、足这个要求, SH2024B2型步进电机驱动器是我厂精心研制开发的二相混合式步进电机驱动器电压。工作电压15-36V该驱动器采用PWM 方式驱动,具有工作电压范围宽、效率高,相电流、细分数可调,自动半流的特点,相电流设定从0.52A, 细分数设定有2、4、8、16、32、64共六档,可满足微步距驱动的要求,“说明式”的面板设计使操作使用方 便直观。其使用说明OPTO:为输入信号的公共端,OPTO端须接外部系统的VCC。若VCC为+5V则可直接连接,若VCC大于+5V,则使用到的CP、DIR、FREE端子分别外串接限流电阻R,保证给内部光耦提供815mA的驱动电流,参见上表1DIR:方向电平信号

23、输入端,高低电平控制电机正/反转。信号电平的改变应错开CP脉冲下降沿3us以上。FREE:脱机信号(低电平有效),当此输入控制端为低时,电机励磁电流被关断,电机处于脱机自由状态。CP:步进脉冲信号输入,下降沿有效,最高响应频率不低于100KHZ,信号电平稳定时间不小于3us。 相电流设定:SH2024B2型驱动器采用拨位开关设定相电流。驱动器细分设定后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。例如:细分数设定为2,驱动0.9/1.8的二相电机,其细分步距角为1.8/2=0.9。 注:拨位开关ON=0,OFF=1,细分数设定好后驱动器须断电复位(或脱机一次)方可有效。相电流设定(位1 2 3)

24、1 2 3相电流1 2 3相电流0 0 00.5A1 0 01.2A0 0 10.6A1 0 11.3A0 1 00.8A1 1 01.6A0 1 11.0A1 1 12.0A3.3.4微动开关选择第一个，按下一步选择数字量输出口，Q0.0和Q0.1选择后在下一步选择脉冲PTO或者PWM,因为我们所选的驱动器是PWM驱动的，因此我们选择PWM,选择后在下一步最后直接点击完成回到PLC编程页面，点击调用子程序点击PWM0-RUN如图PLCs7-200自带脉冲功能为我们提供了很大的方便，使程序变得简易一些3.3.8手爪的驱动方式第4章硬件设计4.1机械手的简单介绍4.2本次用到的各种电器元件4.3

25、PLC控制机械手的结构图4.4动作过程机械手开始处于原点，按下启动按钮，机械手沿X轴前进，碰到后限位开关后停止，然后机械手沿Y轴下降，碰到下限位开关停止，然后机械手手爪开始旋转到接近开关停止，手爪夹紧，然后机械手开始上升到上限位开关和沿X轴后退到前限位开关停止，底盘顺时旋转到接近开关停止，机械手又要下降到下限位开关和沿X轴前进到后限位开关停止，在机械手爪开始逆时旋转到接近开关停止，手爪松开，机械手分别沿Y轴和X轴上升到上限位开关、后退到前限位开关停止，最后底盘逆时针旋转到接近开关停止，机械手完成整个过程并回到了原点。4.5 I/O表输入输出4.6接线原理图4.7程序复位设计总结致谢这里请接受我

26、的诚挚的谢意。参考文献1 罗光伟.PLC控制系统设计安装与调试M.北京：电子工业出版社，2013.2 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2013.3 许廖.电机与电气控制技术M.北京：机械工业出版社，2015.4 刘伟.搬运机械手控制系统设计A.江苏：江南大学，2016.5 徐英.教学型PLC机械手控制系统设计D.江苏：苏州大学，2010.6 张崇国.基于PLC的步进电机细分控制研究A.山东：山东科技大学，2015.7 董雷.基于PLC上药机械手的设计与研究A.河北：河北联合大学，2014.8 李品辛.基于PLC机械手控制系统设计A.陕西：西安思源学院，2015.9 周鹏.搬运机械手教学模型设计及其PLC控制系统A.上海：中国海洋大学，2011.10王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981.11吴建强.可编程控制器原理及其应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.12王永华.现代电气及可编程序控制器技术M.北京：航空航天大学出版社，2003.13殷建国.工厂电气控制技术M.北京:经济管理出版社，2006.14王孙.关节式机械手本体及控制系统设计M.西安交大机械电子工程研究所，2011.15瞿大中.可编程控制与实验P.华中科技大学出版社，2002.16余雷声.电器控制与PLC应用M.北京：机械工业出版社，1996