《机械手控制的设计报告6000字》.docx

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1、机械手控制的设计报告目录引言2PLC系统的组成与分类21. 1PLC系统的组成21. 1 PLC的硬件系统21. 1. 2 PLC的软件系统21. 2 PLC的分类21. 2.1按结构形式分类21. 2. 2按功能、点数分类31. 3PLC的选型31.4 FX1N所具有优越性能42机械手的总体设计方案42. 1硬件组成52. 2软件组成52. 2. 1程序的总体结构63机械手的机械系统设计53.1设计要求73. 2控制方式及要求83. 3机械传动部件的设计93.4导向支承部件的设计104机械手PLC集成控制系统的设计11总结13参考文献14致 谢错误!未定义书签。和变速器。其目的是使执行机构和

2、负载在扭矩和速度方面到达最正确匹配。对工作 中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求实现动力的变换。随着机电一 体化系统（或产品）精密化和高速化的开展，必然要求其传动机构小型轻量化，以 提高运动灵敏度（响应性）。减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应， 也要尽可能作到使机械传动部件短小轻薄化。3.4导向支承部件的设计直线运动滚动导轨副作为一种滚动摩擦副，具有许多特点：（1）摩擦系数小（0. 003-0. 005）,运动灵活。（2）动、静摩擦系数基本相同，起动阻力小，不易 爬行。（3）可预测：紧、高。（4）长寿命。（5）精度高。（6）润滑方便，可采用 油脂润滑，一次装车，长期使用。（

3、7）由专业厂家生产，可选购。因此，滚动导 副广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器中。在机械手系统中，导向副的主要功能是支撑托盘（上料工件）。并限制托盘 移动方向（托盘向前和向后），导轨副沿直线移动。根据系统的具体工作条件和 上述直线运动滚动导轨副的特点，最后选择了滚动导轨副。4机械手PLC集成控制系统的设计本文介绍的机械手系统是典型的机电一体化系统。机电一体化系统(或产品) 的主要特点是自动化。因此，其控制系统非常重要。常用的方法是用通用或专用 电子元件代替传动机械产品(或系统)中复杂的机械功能部件或功能子系统，以 弥补其缺乏。本文中的机械手系统就是采用以DRC (数据记录控制计算机

4、)和日本三菱公 司的FX1系列PLC (可编程序控制器)进行的集成控制。该系统通过数据记录控制 计算机和可编程序控制器的联合通信与控制，共同完成了涂胶机械手的自动控制。在该机械手控制系统中，我们选用的是日本三菱公司生产的型号为FX 1- 80MR的可编程控制器。在该系统中，将DRC(数据记录控制计算机)的局部输出型 号作为PLC (可编程序控制器)的输入信号，PLC把各种传感器所测得的局部信号 作为PLC的输出信号发送给DRC作为其输入信号，这样两者进行了集成控制。系统的控制流程系统由DRC(控制X-Y型直角坐标型机械手)作为上位机，PLC作为下位机。 整个系统是一个半闭环控制系统，系统的自动

5、控制流程如下所述，重复二执行操 作(2) (11),可实现系统的。(1) DRC与PLC进行通信握手，说明一切就绪；(2)光电传感器检测到工作台上的托盘支架上是否有工件，发信号给PLC；(3)位置传感器检测到托盘支架己经到达里限限位开关，发信号给PLC；(4)液位传感器检测到注胶罐有允许的胶量，发信号给PLC；(5)限位传感器检测到注胶罐在上限位置，发信号给PLC；(6)DRC判断机械手回归原点位置，发信号给PLC；(7) PLC接受控制面板的自动按扭信号，发信号给DRC执行动作；(8)DRC根据DPB(手持编程器)的程序，驱动伺服电机执行X-Y的轨迹行程；(9)机械手行走到轨迹行程的最后一点

6、，DRC等到此信号；(10) DRC将涂完最后一点的信号发送给PLC,同时PLC接受DRC的信号后， 发信号使注胶罐收胶，并且注胶罐的气缸使之回到上限位置同时托盘支架自动回 归工件装卡位置。(11) PLC发信号给DRC,使机械手回归原点。在这个系统中，实现了数据记录控制计算机(DRC)与可编程序控制器(PLC)的 集成控制。DRC主要完成该机械手的轨迹行程，PLC完成对该系统的现场控制信 号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/O来实现的。目前，此机械手已投人运行，运行后能到达预先的设计效果：出胶定量、流 速均匀、灌封饱满、轨迹行程精确（轨迹行程可精确到0.01mm）、响应速度快、定

7、 位精度高，其性能稳定、运行可靠、使用维护便利.该系统在控制现场方面，尤 其在PLC控制方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。机械手的控制是一个比拟复杂的工程，现在还处于探索初级阶段.要实现机 械手的智能化操作，一方面要把专家系统引入到本系统中；另一方面，还可运用 神经网络及自适应控制理论，使本系统具有更强的控制能力。参考文献1薇金.机械手的PLC控制城市建设理论研究：电子版，2016(16).钟建元，毛文坡.PLC控制的机械手及应用研究J.山东工业技术， 2017(17).3张毅.PLC控制的工业机械手在自动化生产线中的应用研究J.中国机械, 2015(7)： 53-54.4余波，张贵

8、滨，高福龙.一种涂胶工作站：.5志强.PLC在工业机械手控制系统中的应用与技术研究J.山东工业技术, 2018, No. 265(11)： 135.6刘飞.PLC在机械手控制教学中的研究和实践J.科技广场，2015(2)： 77- 81.7王春丽.基于PLC的气动机械手控制系统设计研究J.科技展望，2016, 26(30).8苏金文.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究J.吉林农业科技学 院学报，2017(03)： 121-123.9张金栋，张晓辉.PLC机械手精确定位与控制系统的设计研究J.教育现 代化，2017(09)： 232-233.10杨加喜.PLC在自动化生产机械手中的应用J.

9、科学技术创新，2018(20)： 185-186.11唐跃嘉，成都理工大学，成都理工大学，成都，. PLC基础下气动机械手 控制系统的设计研究J.山东工业技术，2017(4)： 39-39.12陈素芹，李长波. PLC在智能机械控制上的研究与应用J.科技创新与应 用,2016(15).13 刘培来.基于西门子PLC的机械手控制研究J.科技广场，2016(2)： 74-76.14陈浩.PLC控制机械手在生产自动化中的应用J.科技风，2016(16)： 225-225.15周海舟. PLC机械手精确定位与控制系统的设计研究J.科技展望，2016, 26(23).机械手是一种典型的机电一体化系统的实

10、际应用，也是一种典型的可编程序 控制器(PLC)技术的实际应用，它是通过可编程序控制器和数据记录控制计算机 (DRC)之间的通信进行联合控制，自动控制机械手的启动、运行和停机；自动进 退装载工件的托盘；自动升降注胶罐；自动判别是否涂胶等一系列动作。本系统 采用日本三菱FX1系列的PLC编程语言和日本YAMAHA ROBOT DRC SERIES的编 程语言进行系统编程及优化设计。1 PLC系统的组成与分类1. 1PLC系统的组成PLC开展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一 定区别，各个重点开展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何 选择。PLC是以微处理器为

11、核心的工业通用自动控制装置。其本质是工业控制专 用计算机。因此，它的组成基本上与普通微型计算机相同。它还由硬件系统和软 件系统组成。1.1 . 1 PLC的硬件系统PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。1.1.2 PLC的软件系统PLC的软件系统是PLC所使用的各种程序的集合，可分为系统程序和用户程 序两局部。硬件系统和软件系统构成一个完整的PLC系统。它们相辅相成，缺一 不可。没有软件的PLC系统被称为裸机系统,它没有任何功能,就像一个无米锅。 相反，没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。1.2 PLC的分类按结构形式分类根据结构形式的不同，PL

12、C可分为整体式和模块式两种。整体式结构紧凑，体积小，重量轻，价格低廉，这种结构常用于小型和超小 型PLCo模块式配置灵活，装载维护方便，功能扩展方便，其缺点是结构复杂, 本钱高，一般大中型PLC都采用这种结构。1.2.1 按功能、点数分类小型PLC已成为一种低端PLC,这种PLC体积小，输入输出点一般在20到 128之间。中型PLC的I/O点通常在120到512点之间，用户程序内存容量为 2KB-8KBo大型PLC又称高级PLC, I/O点数超过512点，其中，I/O点数超过 8192点，又称超大规模PLC,用户程序存储器容量大于8kb。1.3 PLC的选型采用PLC系统与采用其它形式的控制系

13、统相比拟，力求具有较好的性价比， 使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种 控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不 要选用旧机型（假设采用三菱公司的PLC,那么选FX系列，不选F1系列）。同时还应 当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个 控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此, 我选用三菱FXz来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、Fl、F2系 列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在

14、FX2之后推出的超小型PLC, 近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FXOS、FX1S、FXON、FX1N、 FX2N、FX2NC等系列PLC,具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和 模块式相结合的叠装式结构，如图1。图 1-1 图 2-4PLC 三菱 FXinFX1N所具有优越性能【基本性能】CPU处理速度到达了 0. 065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM存 储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条应用 指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。【集成业界领先的功能】晶体管输出型的基本单元内

15、置了 3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加 了新的定位指令：带D0G搜索的原点回归（DSZR）,中断单速定位（DVIT）和表格 设定定位（TBL）,从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时 100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。【强大的扩展性】增强了通信的功能，其内置的编程口可以到达115. 2kbps的高速通信，而且最 多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。新增了高速输入输出适配器， 模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用 方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适 配器可以实现最多

16、8路、最高200kHz的高速计数。通过使用高速输出适配器可 以实现最多4轴、最高200kHz的定位控制，继电器输出型的基本单元上也可以通过连接该适配器进行定位控制。通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（FX3U-7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：半角 16个字符（全角8个字符）X 4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试， 时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比拟等操作。另外，还可 以将该显示模块安 在控制柜的面板上。2机械手的总体设计方案2.1硬件组成计算机控制系统的硬件一般由

17、控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、 外部设备和操作台组成。控制对象是指所要控制的机械手。此机械手由两个垂直的手臂组成，可以进 行X-Y轴坐标系的平面运动；止匕外，在其中的一个手臂上装载一个连接板，涂胶 的胶罐通过卡具与连接板上的汽缸滑轨相连，从而可以进行Z方向上的上下运 动。此机械手的手臂的机械传动部件采用大螺距滚珠丝杠，手臂在X-Y平面的运 动是由伺服电机驱动的。胶筒的上下移动和涂胶动作的驱动是靠气压来推动的。检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如机械转数、加速度、 位移、力、力矩等等；当然还包括机械极限位置一类的开关量的控制。控制计算 机在实时控制过程中要知道这些受控参

18、数的变化情况，就需要在系统中配备相应 的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给计算机。计算机是控制系统的核心。本课题采用PLC, PLC根据输入通道发送来的涂 胶机械手的各种运行情况，按照预先根据控制规律(数学模型)设计的控制程序, 自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向机 械手发出控制命令是否涂胶。过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行人机“对话”，以了解生产过 程的状态，以及在发生事故时进行人工干预。所以要设计一个操作控制台，其主 要功能如下：(1)操作平台上应有带导轨的小车，供装载需要涂胶的设备。(2)应具有功能控制面板，拨动扳键，计算机就

19、能执行标志所标明的动作。(3)应有一个简单的手持编程器，用来送入某些数据或修改控制系统的某些 参数。(4)应有报警装置，供紧急情况时报警。2. 2软件组成2.1程序的总体结构机械手系统的程序总体结构如图2-1,分为公用程序、自动程序、手动程序 和回原位程序等四局部。其中自动程序包括单步、连续运动程序，它们合在一起 编程更加简单这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一 起编程更加简单。CJ是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由 于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以 减少程序执行时间，也不会使各段程序同时执行。假设选择“手动”方式，

20、那么X0 为ON、XI为OFF,此时PLC执行完公用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于 X0常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到P1处，由于XI常闭触点为闭 合，所以又跳过回原位程序到P2处；假设选择分“回原位”方式，那么X0为OFF、 XI为ON,跳过自动程序和手动程序执行回原位程序；假设选择“单步”或“单 周期”或“连续”方式，那么X0、XI均为OFF,此时执行完自动程序后，跳过手动 程序和回原位程序。p op op 1P2图27程序总的结构图3机械手的机械系统设计与一般机械系统相比，机电系统的机械系统不仅定位精度高，而且动态响应 特性好，即响应快，稳定性好。典型的机电一体化系统通

21、常由控制单元、接口电 路、功率放大器电路、执行器、机械传动单元和检测传感器单元组成。本文所描 述的机械系统一般由减速装置、螺母副、蜗轮副等各种线性传动部件和连杆机构、 凸轮机构、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系和机架结构等非线性传动部件组 成。1.4 设计要求采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对 机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面 内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底 座能在任意位置停止的功能。其主要任务是将A工作台的工件旋转搬运到B工作 台。机械手的工作方式可分为手动、单步、单周期、连续和回

22、原点5种，各种工 作方式的动作及控制要求说明如下。模型如图3-1：机械手升降步进电机2控制方式及要求1 .控制方式(1) .单周期工作方式a.接通电源后，机械机构自动复位;b.横轴前伸；c.机械手旋转到位；d.竖轴下降；e.电磁阀复位，机械手夹紧重物；f.竖轴上升；g.横轴缩回；h.底盘旋转到位；1.横轴前伸；J.机械手旋转；k.竖轴下降；(1) 磁阀动作，机械手张开，放下货物；m.竖轴上升；n.横轴缩回；o.底盘旋转复位。至此一个周期的动作结束。再按一次启动按钮就开始下一个周期。(2) .连续方式启动后机械手反复运行上述周期的每个动作，直到按下停止按钮，机械手完成 最后一个动作复位停止工作(

23、3) .单步工作方式从原点开始，按照自开工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步 动作后自动停止。(4) .利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机 械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置。2.控制要求1) .前进/后退、上升/下降、手顺旋/逆旋、底盘顺旋/逆旋机械手的每个动作必须到位，具体由相应限位开关控制，否那么不能进行下一个 工作步。前进/后退、上升/下降、手顺旋/逆旋、底盘顺旋/逆旋的动作由一个 双线圈的电磁阀控制。2)夹紧和放松机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位出进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松动作可靠，需对这两个工作进行定时。夹紧和放松动作 由单线圈的电磁阀控制，电磁阀得电为夹紧，失电为放松。3. 3机械传动部件的设计机械传动部件的主要功能是传递扭矩和速度。因此，它本质上是一个变矩器