基于PLC的多关节机械手控制系统设计 精品.docx

基于PLC的多关节机械手控制系统设计 精品.docx

《基于PLC的多关节机械手控制系统设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的多关节机械手控制系统设计 精品.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的多关节机械手控制系统设计精品

毕业设计说明书

基于PLC的多关节机械手控制系统设计

专业

自动化

学生姓名

胡秋原

班级

B自动化081

学号

0810603117

指导教师

张胜超

完成日期

2012年6月5日

基于PLC的多关节机械手控制系统设计

摘要：

机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。

机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器等电子器件组成。

该装置涵盖了可编程控制、位置控制、检测等技术。

本文介绍的机械手是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。

工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。

这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。

在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。

目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。

如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

关键词：

机械手；PLC系统；组态王

DesignOfMulti-jointRobotControlSystemBasedOnPLC

Abstract：

Manipulatorisoftenencounteredinthefieldofindustrialautomation,acontrolobject.Withthedevelopmentofindustrialautomationinrecentyears,robotgraduallybecomeanewsubject,andhasbeenarapiddevelopment.Manipulatorwidelyusedandforging,stamping,forging,welding,assembly,machining,painting,heattreatmentandotherindustries.Especiallyintheheavy,hightemperature,toxic,hazardous,radioactive,andmoredustandotherharshworkenvironment,therobotbecauseofitssignificantadvantagesandspecialattention.Inshort,themechanicalhandistoincreaselaborproductivity,improvingworkingconditions,reducelaborintensityandtoachieveindustrialproductionofanimportantmeansofautomation.Attachgreatimportancetoitsdomesticandinternationalapplicationsanddevelopment.

ManipulatorismodeledonthepartofstaffingtheDepartmentaction,accordingtoagivenprogramtoautomaticallytrackandtocapture,handlingoroperationoftheautomaticmechanicaldevices.ThispaperintroducesthemanipulatorResearchandPLC'sresearchanddevelopmenttrends,describestherobotcontrolsystemworksandactionstoachievetheprocessofresearch-basedPLC,robotcontrolsystemdesign,alsostudiedKingviewrobotcontrolsystemApplication.Configurationsoftwaredesignedbyamechanicalhandcontrolmonitoringinterfacethatprovidesamoreintuitive,clear,accuraterobotoperationstate,whichinturnprovidesmaintenanceandtroubleshootingofawiderangeofpossibilitiestofullyenhancetheefficiencyofthesystem.

Thedesignofmulti-jointrobotinabearingassembly,throughtheS7-200PLCcontrolsthemanipulatormovestotakebackthebearing,sealandtransfertheworkpiece,andfinallycontrolthecappingmachinetocompletethewholeprocessofthegland.CompletetheseactionsmainlyusingPLCtocontrolthemotorrotationandon-offsolenoidvalve,electricmotortodrivetherotationoftherotatingmechanicalarm,theelectromagneticvalvecontrolrobotupanddown.Configurationwiththehostcomputertodisplaythemachinecontrolparametersandalarmsignals,monitoringofvariousmachinecontrolparameters.

朗读

显示对应的拉丁字符的拼音

Keywords：

Manipulator;ProgramLogicalControl;Kingview

基于PLC的多关节机械手控制系统设计

1绪论

1.1课题的意义

工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐步演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具—机械手。

机械手也被称为自动手，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、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、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个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

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。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手多关节机械手模型由机械与电气两部分组成。

机械部分由底盘、五个关节及气动抓手组成。

机械传动系统采用了丝杠副、定位杆等机械零件；电气控制采用了PLC，开关电源，步进电机及驱动模块及传感器等技术。

该装置适用于大、中专院校学生毕业设计、课程设计、实习实验等工程实践的实验设备，其基于PLC的编程（多轴连动）可作为研究生毕业设计项目。

借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。

1.2设计要求

本课题主要研究的是基于PLC的机械手控制系统的设计，并通过组态软件设计出人机界面并进行设备和数据对象的连接，实现动画显示。

其中设计部分包括硬件和软件设计两大部分，软件部分主要是应用PLC编程软件编写出控制机械手运作的程序，硬件设计部分主要是设计出PLC控制器的供电电路和控制器本身的IO连接图。

本课题用到的组态软件是组态王，它是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。

1.3PLC的发展由来

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），在美国通用汽车公司的自动装配线上使用，取得了巨大的成功。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。

例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。

2系统总体设计

2.1系统总体原理设计

2.1.1系统的组成

多关节机械手控制系统在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带1转移至传送带2上，然后将盖放置于轴承之上，最后经压盖机加工，完成轴承装配的一部分加工。

整个工作过程机械手包括以下动作：

手臂上升→手臂下降→手爪抓紧→手爪放松→手臂左旋→手臂右旋

多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制机械手臂的上升和下降。

多关节机械手的工作过程如图2-1所示：

图2-1多关节机械手简单工作过程示意图

2.1.2系统的工艺流程

机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图2-2所示。

机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将依次完成下降→夹紧→上升→右移→再下降→放松→再上升→左移8个动作。

机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

图2-2搬运机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图

为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动暂时等待，为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。

由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-3所示的机械手控制系统的功能框图。

2.2机械手控制方式的选择

2.1.1控制方式的分类

a）可编程序逻辑控制器（PLC）；

b）工业控制计算机（IPC）；

c）集散控制系统（DCS）。

2.1.2机械手控制方式的选定

由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。

PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。

集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。

没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品。

PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力。

编程安装使用简便、低价格长寿命。

比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。

机械手控制系统若采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。

由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。

机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。

同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能.综上所述，机械手的控制方式选择PLC控制。

3硬件设计

3.1PLC的介绍

根据系统功能概述，多关节机械手控制系统的硬件框图如图3-1所示。

图3-1多关节机械手控制系统的硬件连线图

下面将依次详细介绍硬件系统中的各个部分。

A．PLC的选型

选择西门子S7-200系列PLC来作为多关节机械手控制系统的控制主机。

在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等。

多关节机械手控制系统总共有8个数字输入，7个数字量输出，共需15个I/O，根据I/O点数及程序容量，选择CPU226作为本控制系统的主机。

CPU226具有以下特性：

a）8KB的程序存储器。

b）2.5K字数字存储器。

c）1个可插入的存储器子模块。

d）14个数字量输入，有4个可用作硬件中断，I0个用于高速功能。

e）I0个数字量输出，其中2个可用作本机集成功能。

f）2个8位分辨率的模拟电位器。

g）数字量输入/输出，最多可以扩张成94个数字量输入，74个数字量输出。

h）模拟量输入/输出，最多可以扩展成28个模拟量输入与7个模拟量输出，或者是14个模拟量输出。

i）256个计数器，技术范围为0~32767.

j）具有256个内部标志位。

k）具有256个定时器，其中分辨率为1ms的有4个，其定时范围为1ms~30s；分辨率为10ms的有16个，其定时范围为10ms~5min；分辨率为100ms的有236个，其定时范围为100ms~54min。

l）具有4个中断输入。

m）6个32位的高速计数器，可作为加减计数器用，或将增量编码器的两个相互之间相移为90度的脉冲序列连接到高速计数器输入端。

n）2个高速脉冲输出，可产生中断，脉冲宽度和频率可调。

o）1个RS-485通信接口。

p）AS接口最大输入/输出有496个，可以扩展7个模块。

B.各种限位开关

在多关节机械手控制系统中，总共用了5个限位开关；上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关、右旋限位开关、抓紧限位开关。

限位开关主要是用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。

a）上升限位开关。

上升限位开关用于控制机械手能在整体上升时的位置，事先在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，当机械手上升到能接触到上升限位开关时，PLC控制机械手停止上升。

b）下降限位开关。

下降限位开关用于控制机械手能在整体下降时的位置，事先在机械工作平台下方的合适位置上安装好限位开关，当机械手下降到能接触到下降限位开关时，PLC控制机械手停止下降。

c）左旋限位开关。

左旋限位开关用于控制机械手手臂间向左运动时的定位，事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向左运动接触到左旋限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向左运动。

d）右旋限位开关。

右旋限位开关用于控制机械手手臂间向右运动时的定位，事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向右运动接触到右旋限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向右运动。

e）抓紧限位开关。

抓紧限位开关用于控制机械手手指在从传送带A上取物品时抓物品的松紧程度，事先在机械手的合适位置上安装好限位开关，安装的根据是既要保证物品能够被机械手抓牢，又不能抓的太紧而损坏物品本身。

当机械手手指抓紧接触到抓紧限位开关时，PLC控制机械手手指停止动作。

C．光电开关

在传送带A的旁边两侧的合适位置，安装有光电开关。

光电开关主要用来指示传送带A上的物品到达了适合机械手抓起物品的位置，这个也是安装光电开关的依据，既要保证机械手能抓起物品，又要使得机械手抓物品时所受的力不至于过大。

D．各种电磁阀

在机械手控制系统中，应用液压系统来驱动机械手，而液压是由电磁阀来控制的，即PLC控制电磁阀，从而控制液压系统，再由液压系统来驱动机械手。

根据机械手不同的动作，主要有上升电磁阀、下降电磁阀、左旋电磁阀、右旋电磁阀、抓紧电磁阀、放开电磁阀。

a）上升电磁阀控制液压驱动机械手作上升运动。

b）下降电磁阀控制液压驱动机械手作下降运动。

c）左旋电磁阀控制液压驱动机械手手臂作向左旋转运动。

d）右旋电磁阀控制液压驱动机械手手臂作向右旋转运动。

e）放开电磁阀控制液压驱动机械手手臂作松开动作。

E．传送带的电动机接触器

传送带并不需要时刻连续的运转传送，而且也不可能一直连续的传送物品，而是根据机械手的当前工作情况由控制机械手的控制系统来一同控制传送带A的工作与否，该在什么时刻启动传送，该在什么时刻停止传送。

因此，就必须要在传送带的电动机部分安装一个可以控制电动机是运转还是停止的接触器，再通过PLC来控制接触器，最后达到控制的目的。

3.2PLC的硬件结构

可编程控制器简称PC（英文全称：

ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：

ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。

各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。

其结构简图如下：

图3-2PLC硬件结构图

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。

系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。

用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。

硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。

3.3PLC的I/O资源配置

表3-1数字量输入地址分配

输入地址

输入设备

输入地址

输入设备

I0.0

高速脉冲输入

I1.1

自动启动

I0.1

急停按钮

I1.2

上升限位开关

I0.2

手动/自动

I1.3

下降限位开关

I0.3

手臂上升

I1.4

左旋限位开关

I0.4

手臂下降

I1.5

右旋限位开关

I0.5

手臂左旋

I2.0

传送带1光开关

I0.6

手臂右旋

I2.1

传送带2光开关

I0.7

手爪抓紧

I2.2

传送带2启动

I1.0

手爪放松

I2.3

压盖机启动

表3-2模拟量输入地址分配

输入地址

输入设备

输入地址

输入设备

ATW0

传感器1

ATW0

传感器4

ATW0

传感器2

ATW0

传感器5

ATW0

传感器3

表3-3数字量输出地址分配

输出地址

输出设备

输出地址

输出设备

Q0.0

高速脉冲输出

Q0.5

抓紧电磁阀

Q0.1

上升电磁阀

Q0.6

松开电磁阀

Q0.2

下降电磁阀

Q0.7

传送带2继电器

Q0.3

左旋电磁阀

Q1.0

压盖机继电器

Q0.4

右旋电磁阀

根据系统的控制要求，硬件框图及I/O分配情况，