机械手模型的PLC控制系统设计1.docx
- 文档编号:20335760
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:308.45KB
机械手模型的PLC控制系统设计1.docx
《机械手模型的PLC控制系统设计1.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械手模型的PLC控制系统设计1.docx(34页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机械手模型的PLC控制系统设计1
第一章绪论
1.1前言
用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。
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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。
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,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2机械手的前景与展望
机械手的前景:
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:
由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:
可靠性低于国外产品:
机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中
1.3设计任务书
一、设计题目
机械手模型的PLC控制系统设计
二、设计目的
a) 通过设计掌握PLC的基本原理及应用,使学生受到PLC系统设计的综合训练,掌握一般方法和步骤,提高利用PLC进行应用系统开发的能力。
b) 掌握典型机械手的工作原理和设计思路
c) 培养学生查阅技术资料的能力,和综合运用所学知识,结合实际独立完成课题的工作能力。
d) 提高学生对工作认真负责、一丝不苟,对事物能潜心观察、勇于创新、勇于实践的基本素质。
三、设备概述及技术数据
1、机械手工作过程概述
机械手的工作流程是:
开始运行后,如果机械手不在初始位置上,步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动,竖轴向上移动)。
归位后首先横轴步进电动机工作,横轴前伸;前伸到位后,手爪电动机得电带动手爪旋转;当传感器检测到限位磁头时,电动机停止,PLC控制电磁阀动作,手张开;延时一段时间,竖轴步进电动机工作,竖轴下降;下降到位后,电磁阀复位,手爪夹紧;延时过后,竖轴上升,同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转;当横轴、竖轴、底盘都到位后,横轴前伸;到位后,手爪旋转,然后竖轴下降,电磁阀动作,手爪张开;延时后竖轴上升复位,然后开始下一周期动作。
2、技术要求
(1)输入电压:
AC220~240V或DC24V
(2)消耗功率:
<250W
(3)气源大于0.2Mpa且小于0.85Mpa
(4)外型尺寸:
60cm×45cm×55cm
3、主要参数
(1)负荷参数:
额定负荷为1kg,最大负荷为3kg
(2)臂的运动参数:
横轴方向移动范围是450mm,速度是100m/s;竖轴方向移动范围是450mm,速度是100m/s
(3)手爪运动参数:
旋转角度为180度
(4)机械手运动参数:
旋转角度为270度
四、设计要求
1、控制要求
(1)手臂上下直线运动、左右直线运动
(2)手腕旋转运动
(3)手爪夹紧动作
(4)机械手整体旋转运动手臂采用电气驱动,由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位,手爪采用气压驱动。
2、设计内容
(1)设计电气控制原理图
(2)进行PLC选型及I/O分配
(3)PLC控制程序设计
(4)按要求撰写设计说明书
(5)绘制设计图样
五、参考资料
1、可编程控制器及应用
2、机械手
第二章各部分功能
2.1机械手系统构成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成组成
2.2执行系统
(1)手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。
手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。
传力机构形式教多,常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
(2)腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。
手腕有独立的自由度。
有回转运动、上下摆动、左右摆动。
一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度小(一般小于2700),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出扭距。
因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
(3)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。
它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的:
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。
因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。
因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
(4)行走机构有的工业机械手带有行走机构,我国的正处于仿真阶段。
2.3控制系统
在机械手的控制上,有点动控制和连续控制两种方式。
大多数用插销板进行点位控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。
主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。
2.4驱动系统
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
2.5可行性分析
该设计的核心是PLC控制步进电机技术,下面,仅对该技术进行分析:
1步进电机、脉冲与方向信号
步进电机作为一种常用的电气执行元件,广泛应用于自动化控制领域。
步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源,驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。
每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称为步距角。
脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了旋转的速度。
方向信号决定了旋转的方向。
就一个传动速比确定的具体设备而言,无需距离、速度信号反馈环,只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度;而方向信号可控制移动的方向。
因此,对于那些控制精度要求不是很高的应用场合,用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。
另外,步进电机的细分运转方式非常实用,尽管其步距角受到机械制造的限制,不能制作得很小,但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m个小步来完成,以提高设备运行的精度和平稳性。
控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统,但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备,采用PLC(可编程控制器)是一种理想的技术方案。
2控制方案
在操作面板上设定移动距离、速度和方向,通过PLC的运算产生脉冲、方向信号,控制步进电机的驱动电源,达到对距离、速度、方向控制的目的,见图1。
操作面板上的位置旋钮控制移动的距离,速度旋钮控制移动的速度,方向按钮控制移动的方向,启/停按钮控制电机的启动与停止。
在实际系统中,位置与速度往往需要分成几挡,故位置、速度旋钮可选用波段开关,通过对波段开关的不同跳线进行编码,可减少操作面板与PLC的连线数量,同时也减少了PLC的输入点数,节省了成本。
一个n刀波段开关的最多挡位可达到2n。
在对PLC选型前,应计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。
根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率,根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。
同时,考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命,PLC应选择晶体管输出型。
第三章机械手硬件设计
3.1可编程控制器PLC及个部分的选择
1、PLC选型
PLC的总点数并考虑今后系统的调整的扩充,在实际的I/O点数基础上,一般应加上10%~20%的备用点数。
多数小型PLC为整体式,具有体积小、价格便宜等优点,适于工艺过程比较稳定,控制要求比较简单的系统.模块结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法,比整体式方便灵活,维修更换模块、判断处理故障快速方便,适用于工艺变化交多、控制要求复杂的系统.
此外,还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等.
本设备控制的对象是一个开关量控制的系统,同时利用脉冲控制步进电机的运转,故应采用晶体管形式的输出.三菱FX2N系列小型PLC具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点,能满足本对象各项控制性能要求,因此,本系统采用三菱FX2N系列的FX2N-40MR作为基本模块,能输出两路脉冲信号进行步进电机的控制
2、电源模块
采用Dm150系列开关电源.其特点是输出功率大、体积小、重量轻,可靠性高,适应宽范围输入的输入电压波动,具有完备的过电压、过流保护功能.
主要参数:
输入交流电压:
110~220V/50Hz、60Hz
输出直流电压:
24V/6.5A
最大功率:
156W
工作环境:
-10~40°C
3、步进电动机
采用二相八拍混合步进电动机,主要特点:
体积小,具有交高的启动和运行频率,有定位转距等优点.型号:
42BYGH101.电器原理图如下
快接线插头中的红色表示A相,蓝色表示B相.
使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调.
4、步进电机驱动模块
SH系列步进电机驱动器,主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等.如下图
电源输入部分由电源模块提供,用两根导线连接,注意极性.
信号输入部分:
信号源由FX2N主机提供.由于FX2N提供的电平为24V,而输入部分的电平为5V,中间加了保护电路.
输出部分:
与步进电机连接,注意相序.
5、传感器
采用接近开关作为手抓旋转和底盘旋转限位检测用;采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。
接近开关:
接近开关有三根连接线(红、蓝、黑)红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号,当与挡块接近时输出电平为低电平,否则为高电平。
其结构如下图所示。
微动开关:
当挡块碰到微动开关动作(常开点闭合),其结构如图所示。
6.FX2N-40MR模块
由三菱FX2N-40MR的PLC晶体管输出的主机,具有高速运算能力、PID调节功能,同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。
输出两路脉冲梯形图及f/t图如图所示。
7.直流电动机
采用36ZYJ5-12型直流电动机。
输出电压为12~24V,由FX2N-40MR模块控制电动机正反转。
8.旋转码盘
机械手每旋转3°发出一个脉冲,旋转码盘的结构如图所示。
3.2步进电动机的原理
步电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件,具有无累积误差、成本低、控制简单特点。
产品从相数上分有二、三、四、五相,从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°,从规格上分有口42~φ130,从静力矩上分有0.1N·M~40N·M。
签于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。
叙述其基本工作原理。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:
1、脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。
2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:
二相四拍为
步距角为1.8度;二相八拍为
步距角为0.9度。
四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度)。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下:
说明:
CP 接CPU脉冲信号(负信号,低电平有效)
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机,与CPU地线相接,驱动电源不工作
DIR 方向控制,与CPU地线相接,电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下:
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
3.3步进电机的PLC控制
机械手工作流程如图所示
把可编程控制器的开关拨开,开始运行后,如果机械手不在初始位置上,步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动,竖轴向上移动)。
归位后首先横轴步进电动机工作,横轴前伸;前伸到位后,手爪电动机得电带动手爪旋转;当传感器检测到限位磁头时,电动机停止,PLC控制电磁阀动作,手张开;延时一段时间,竖轴步进电动机工作,竖轴下降;下降到位后,电磁阀复位,手爪夹紧;延时过后,竖轴上升,同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转;当横轴、竖轴、底盘都到位后,横轴前伸;到位后,手爪旋转,然后竖轴下降,电磁阀动作,手爪张开;延时后竖轴上升复位,然后开始下一周期动作。
五.控制系统的软、硬件设计
(一)控制系统硬件设计
PLC硬件设计是指PLC外部设备的设计。
在硬件设计中要进行输入设备的选择(如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等),还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。
硬件设计还包括PLC输入/输出通道的分配,为便于程序设计和阅读,常做I/O通道分配表,表中包含有I/O编号、设备代号、名称及功能等。
机械手控制系统电器原理如图所示。
如图可编程控制器采用三菱FX2N-40MR的PLC作为基本模块。
由于接近开关有三根线,接线时注意把红色的线接电源的正极,黑色的线接电源的负极,蓝色的线接PLC的输入端子。
3.4I/O接口功能
输入端(20点)
(按钮类)
启动
SB1
X0
手动
SB2
X1
连续
SB3
X2
夹紧
SB4
X3
放松
SB5
X4
停止
SB6
X5
手抓旋转
SB7
X6
地盘旋转
SB8
X7
回原点
SB9
X8
单步上升
SB10
X17
单步下降
SB11
X18
单步左移
SB12
X19
单步右移
SB13
X20
(开关类)
左限行程
SQ1
X9
右限行程
SQ2
X10
上限行程
SQ3
X11
下限行程
SQ4
X12
手抓正限
SQ5
X13
手抓负限
SQ6
X14
底盘正限
SQ7
X15
底盘负限
SQ8
X16
输出端(12点)
横轴步进脉冲
CP
Y0
横轴方向电平
DIR
Y1
横轴脱机电平
FREE
Y2
横轴公共阳端
OPTO
Y3
竖轴步进脉冲
CP
Y4
竖轴方向电平
DIR
Y5
竖轴脱机电平
FREE
Y6
竖轴公共阳端
OPTO
Y7
手抓电动机
KM1
Y10
底盘电动机
KM2
Y11
手抓电磁阀
YV
Y12
原点指示灯
EL
Y13
第四章机械手软件设计
4.1PLC程序设计说明
该程序实现的动作是
开始运行后,如果机械手不在初始位置上,步进电动机开始运转(横轴向手抓方向移动,竖轴向上移动)。
归位后首先横轴步进电动机工作,横轴前伸;前伸到位后,手爪电动机得电带动手爪旋转;当传感器检测到限位磁头时,电动机停止,PLC控制电磁阀动作,手张开;延时一段时间,竖轴步进电动机工作,竖轴下降;下降到位后,电磁阀复位,手爪夹紧;延时过后,竖轴上升,同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转;当横轴、竖轴、底盘都到位后,横轴前伸;到位后,手爪旋转,然后竖轴下降,电磁阀动作,手爪张开;延时后竖轴上升复位,然后开始下一周期动作。
PLC输入脉冲数计算
走450mm用时:
t=450/100000s
轴每秒所转的圈数:
396n/min/60=6.6n/s
走450mm所转的圈数:
450/100000s/6.6n/s=29.7*10-7
轴转一周步距角变换次数:
360/1.8=200
总输入脉冲数:
200*29.7=5940
4.2回原位程序
LDM8002
SETS001
STLS001
LDX008
SETS010
STLS010
RSTY012
RSTY000
RSTY001
OUTY000
LDX011
SETS011
STLS011
RSTY004
RSTY003
OUTY004
LDX009
SETS012
STLS012
SETM8043
RSTS012
OUTS012
RET
4.3手动单步运行程序
LDX000
ORX001
ANIX005
OUTM0
LDM0
ANDX003
SETY012
LDM0
ANDX004
RSTY012
LDM0
ANDX006
OUTY010
LDM0
ANDX007
OUTY011
LDM0
ANDX007
OUTYO11
LDX017
ANIX012
MPS
MOVK500D10
MPP
MOVK2000M100
LDM100
ANID11
ORB
LDIM100
ANDD11
OUTD11
MPS
MOVK500D12
MPP
MOVK5940D13
MPS
MOVK0D14
MPP
PLSYK1000D13Y4
LDX018
ANIX011
MPS
MOVK500D10
MPP
MOVX2000M100
LD
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械手 模型 PLC 控制系统 设计