基于PLC的机械臂控制.docx

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基于PLC的机械臂控制

基于PLC的机械臂控制

天津理工大学

本科生毕业论文（设计）

题目：

基于PLC的机械臂控制

姓名：

学院：

自动化学院

专业：

自动化

班级：

学号：

指导教师：

完成时间：

2014年6月1日

基于PLC的机械臂控制

摘要

啤酒是当今世界上消费量最大的酒类饮料，全球啤酒产量已连续多年稳步增长,我国的啤酒产量2002年达到2386万吨超过美国成为世界上啤酒生产和消费量最大的国家。

过去的人工抓瓶装箱已经显得效率低下，因此机械臂的加入尤为重要，它不仅抓取快，而且能够适应恶劣的工作环境，以机械臂装箱配合入库，工作效率非常高。

在本设计中主要介绍了国内外机械臂研究现状及PLC的发展趋势，简要的描述了机械臂控制系统的工作原理和动作的设计实现过程。

研究了基于PLC的机械臂控制，并以学校实验室的三自由度机械臂的实物为模型实现控制系统的设计。

关键词：

啤酒；机械臂；PLC；

Abstract

Beeristheworld'slargestalcoholicbeverageconsumption,asteadyriseinglobalbeerproductionhasformanyyears,China'sbeerproductionin2002reached23.86milliontonsmorethantheUnitedStatestobecomethelargestcountryinthebeerproductionandconsumptionintheworld.Thepastartificialcatchbottlepackingisinefficient,sotheadditionofmechanicalarmisparticularlyimportant,itnotonlycrawlfast,andcanadapttobadworkingenvironment,withpackingandmechanicalarmwithwarehousing,workefficiencyisveryhigh.

Inthisdesign,thispaperintroducesthemechanicalarmresearchstatusathomeandabroadandthedevelopmenttrendofPLC,describestheworkingprincipleofmechanicalarmcontrolsystemandimplementationprocess.StudiedthemodelofmanipulatorbasedonPLCcontrolsystemdesign.

Keywords:

beer;Mechanicalarm;PLC;

2.2.1PLC的结构……………………………………………………………………..…5

附录5PLC外部电气接线图…………………………………………………………...48

第一章绪论

1.1课题研究目的及意义

机械臂是工业自动化领域中常常需要的一种高效可靠地自动化装置。

这些年来伴随着工业自动化领域的技术革新，机械臂逐渐发展起来，并得到了较快的发展。

机械臂广泛地应用在锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各种不适宜人介入的工序。

尤其是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械臂以其显著的优势而受到广泛的应用。

总之，机械臂在提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化中占据了重要的位置。

无论是在国内还是国外，都十分重视它的应用与发展。

可编程序逻辑控制器（PLC）就是专门针对工业环境而设计生产的一种逻辑控制器。

伴随着微电子技术行业、自动控制技术行业和计算机通信技术行业的突飞猛进，PLC也在硬件、软件、通讯等功能以及模拟量输入输出控制等方面取得了长足的进步，成为工业自动化生产中必不可少的高科技装备。

由于实际生产中人力物力的投入很高，因此自动化技术的加入在节省人力物力等方面优势巨大，而且PLC也具有很多其他种类控制器所不具备的优势，比如通用性高、稳定性好、配套设备齐全、编程软件简单易学，因此PLC是工业生产中必不可少的控制器之一。

机械臂已经在欧美等发达国家有着广泛应用，例如用于采摘果实、收割庄稼、汽车结构焊接等。

目前来看，我国的自动化水平还处于起笔阶段，是一个年轻的行业，应用PLC来控制的机械臂还不是很多。

本次课题设计的就是基于PLC的机械臂控制。

通过此次设计不仅能够更进一步学习PLC的控制方式和编程环境，更重要的是可以在实际操作过程中对PLC有更深的理解。

就目前来看，啤酒是当今前世界消费量最大的酒类饮料，千秋的啤酒产量需求越来越大，而我国更是一个啤酒消费大国。

因此这次设计便是以些小的啤酒生产线成品啤酒的装箱环节中三自由度机械臂为硬件来实现基于PLC的机械臂控制目的。

过去的人工抓瓶装箱已经显得效率低下，因此机械臂的加入尤为重要，它不仅抓取快，而且能够适应恶劣的工作环境，以机械臂装箱配合入库，工作效率非常高。

1.2国内外机械臂研究概况

工业机械臂的产生是伴随着近代工业自动化水平的突飞猛进以及实际生产中的需要发展而来的，如今已经成为实际生产中必不可少的自动化装置。

工业机械臂的加入显著提高了生产过程的自动化程度并且改善了劳动条件、提高了产品质量和生产效率。

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。

近年来在我国工业机械臂的发展也是非常迅速的，需求量也是越来越大。

自二十世纪六十年代初第一套机械臂系统的诞生，经过将近40年的发展，现如今已经在工业生产中扮演着重要的角色。

目前，正式服役于生产中的机械臂大多属于比较老式的一种，即程序开环控制机械臂。

这种机械臂大多采用点位控制，也就是没有反馈系统，不能根据实际情况的变化作出调整，这类机械臂主要应用于焊接、喷漆和上下料等用途。

如今使用比较广泛的机械臂已经和以前大有不同，他加入了反馈系统，也就是说有个感觉，虽然它仍然以程序控制为基础，但它能够根据实际生产中的偏差来调整动作。

这种机械臂广泛应用接触传感器一类的简单传感器和相应的自适应控制算法来实现。

而现在最新的机械臂则是在前两种的基础上进行改良可再造，它既能够感知外界环境和操作对象，又具有对复杂信息进行收集和处理的能力，能够对自身的动作实现自我智能化控制。

用拟人的方法来说，它具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，就像工人一样能实现搜索、追踪、辨识等多种仿生功能，而且就像专家一样，十分专业。

目前机械臂的发展较为多元化，出现了仿人型机械臂、微型机械臂、智能机械臂等多种各具特色的机械臂。

机械臂的应用领域正由以前主攻工业生产转向向非制造业和服务业，而且现在加入更多尖端科技的军事机械臂也广泛应用于军事领域。

在欧美等发达国家近几年机械臂的发展趋势迅猛，伴随着机械臂性能不断提高，价格的不断下降，机械结构模块化、可重构化以及控制系统向基于PC机的开放型控制器，越来越多的满足各种需要的机械臂如雨后春笋般涌现。

在国内，目前机械臂的应用主要在喷涂机械臂、装配机械臂、弧焊机械臂、搬运机械臂、点焊机械臂、特种机械臂，基本掌握了机械臂的设计制造，控制驱动系统的设计和配置以及软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆、弧焊以及周边配套设备的全套自动通信、协调和控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械臂焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。

从技术方面来看，我国目前在自行设计和制造机械臂的方面已经没有技术障碍。

1.3课题研究的内容

本课题以啤酒瓶的抓取为研究对象，应用PLC进行控制设计为主要内容，对缓冲区的成品啤酒进行抓取装箱，应用PLC指令对伺服驱动器、步进电机驱动器以及直流电机三个对象进行算法控制，通过各个环节上相应传感器的反馈信息进行算法调节达到精确可靠抓取啤酒瓶并放入箱内的功能。

第二章机械臂控制方式的选择和可编程序控制器简介

2.1机械臂控制方式的选择

2.1.1控制方式的分类

较早的工业自动控制主要基于继电器和一些分离的电路原件进行，这种控制器投资相对少一些，目前这种设备仅存的一些都服役于老企业和自动化程度很低的小企业，由于这种设备存在很多缺陷，如仅适合于简单的逻辑控制，通用性差，不便于优化和改造等，已遭到淘汰。

我国在逻辑控制器为主力的自动化控制的大背景下，正以迅猛的步伐进行改造。

逻辑控制器控制有硬件上至少有一个微处理器、通过软件实现控制思想的特点。

在工业自动化控制领域应用最多也对为广泛的有三种，即可编程序逻辑控制器（PLC）；工业控制计算机（IPC）；集散控制系统（DCS）。

2.1.2可编程序逻辑控制器（PLC）、工业控制计算机（IPC）以及集散控制系统（DCS）的比较

1、各自技术发展的起源

计算机可以满足快速大量数据处理要求。

其标准的硬件配置，标准的总线协议，以及超前的兼容性，丰富的软件资源无一不是它的优势所在，加之实时操作系统的支持，使它在控制模型复杂和数据量巨大的控制对象时如鱼得水。

DCS在工业自动化仪表控制系统发展到分布式控制系统采用工业控制计算机为中心，所以它在模拟处理，控制一定的优势，最初主要应用于连续过程控制。

PLC是由继电器逻辑控制系统成长而来，在工序控制方面应用较多，早期PLC产品主要是代替继电器控制系统，其功能以开关量的顺序控制为主。

近年来伴随着各种高新技术的发展和成熟，越来越多的新技术加入到了PLC中，PLC在技术和功能上发生了质的飞跃。

在早期逻辑开关量控制的基础上，增加了算数运算、反馈调节等功能，增加了模拟量输入输出和PID调节算法等功能模块；运算速度有了提高，中央处理单元的能力赶上了工业控制计算机的水平；而且随着通信能力的提高，衍生了多种局部总线和网络协议，应用这些也可构成为一个集散系统。

最重要的是个人机算机也引入到了PLC系统当中，PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

2、相同点

在硬件方面，PLC、工业计算机、集散系统之间的界限逐渐模糊，各自的功能差异也在逐步缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。

编程方面也有很多相同点。

3、不同点

虽然在硬件方面的差距逐渐缩小，但毕竟PLC和计算机是不同种类的两种产品，经过了多年的优化和发展都形成了各自独立的生态环境，尤其在各自的软件资源方面区别很大。

在编程环境方面，PLC主要使用编程器或者计算机软件编写程序，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。

集散系统本身或用计算机布局形成组态形成开发系统环境。

需要特别之处的是PLC于STD总线工控机之间的区别，他们无论从维修、安装和模块组件功能都相差不多。

PLC在脱机模式下运行表现出色，但当它在线运行时如果想对他进行较大数据量的修改，其能力比于STD工控机稍差，但是单纯从开关量的控制来说，PLC则是不二选择。

在选择控制器的时候，首先要从控制精度，控制需求，控制对象和经济节能的要求考虑。

没有一种控制器可以用于各种环境，也没一种控制器一无是处，我们只可以根据不同的需要和不同的工作环境选择一种最适合的来蛮子我们的需要即可。

2.1.3机械臂控制方式的选定

PLC是通过在电脑上的专用软件编写控制程序然后通过下载线将程序下载到控制器来实现控制的。

这种软件继承了PLC厂家的指令系统，而且厂家针对各自的PLC特点进行相应的修改和功能增强。

公司自成立以来，经过20年的发展，在发达国家，欧洲，日本和其他美国目前已经成为一个重要的行业，PLC已成为国际市场的最流行的工业控制产品，应用PLC编程实现程序控制设备已经是但仅世界的大潮流。

之所以PLC可以胜任各种工业场合的控制要求，离不开他针对工业场合的专门设计和优化：

高可靠性、高抗干扰的能力。

编程安装使用简便、低价格长寿命。

相比于单片机，他的输入输出更加的接近工业现场，不需要再在控制器与设备之间加更多的转换以及驱动单元，这样大大节省了设备组建的时间和工程量。

PLC输入是一个继电器，晶体管和可控硅控制单元，上端与一般微机用户连接。

当人们想要对PLC惊醒应用是，不需要花大量时间进行专门的计算机应用培训就能对可编程控制器进行编程操作和下载，并应用他来实现自己想要的难易不同的工业控制任务。

PLC的优点还有很多。

机械臂的控制器如果选用PLC，不仅能够减小体积和重量，而且控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易，更重要的是可以便于以后的扩展和改造。

正因为PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等优点，才能够很据现场的不同需要完成用户的控制需求。

机械臂采用PLC作为控制器，大大提高了系统的集成度，介绍呢过了空间，避免了繁杂的接线与工作量巨大的弊端，提高了控制系统的可靠性。

同时，用PLC作为控制器可以方便的对系统流程进行更改和优化。

综上所述，机械臂的控制方式选择PLC进行控制最高效可靠。

2.2可编程序控制器简介

可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是从早期的继电器逻辑控制系统进化而来，它不断地改进增强优化，不断地向微型计算机靠拢，从而逐步的适应了复杂控制任务的处理。

2.2.1PLC的结构

PLC很像一般的微型计算机，都是有硬件软件系统组成。

PLC的硬件系统由中央微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出口（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备以模块的形式拼接而成。

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[9]。

其结构简图如下：

图2-1PLC硬件结构图

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种软件和指令的集合，一般可分为系统固化程序和用户下载程序两大部分。

系统固化程序是PLC产品必须包括的部分，由PLC的制造商提供的，用来控制PLC的操作和运行，系统程序存储在EPROM。

用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。

硬件系统和软件程序合二为一组成了一个完整的PLC系统，他们相辅相成，缺了那一部分都不能正常工作。

2.2.2PLC的特点

可编程序逻辑控制器简称PLC，它的主要核心部件是一种类似于微机处理器的中央处理单元，因此它相当于专门用作自动化控制的计算机。

当今国内国外普遍应用可编程逻辑控制器作为机械臂的控制器，在智能化要求高控制容量大的机械臂控制系统中更是离不开PLC。

主要是因为PLC具有以下几点优势：

1、灵活、通用

在传统的继电器控制系统中，应用的主要控制部件是继电器，整个系统需要预先设计好，然后根据设计好的图纸进行布线焊接施工，所用设备固定，每套系统只对应一种设备，如果工艺上出现一些小的改进或者调整，需要对控制系统加以调整的话，那么之前装好的整个控制系统都要进行拆除，然后对其重新进行布线焊接施工等工作，浪费了大量的人力、物力、精力和时间。

可编程逻辑控制器的出现改变了这一现状，它是将程序存储在自身内置的存储芯片上，根据用户存储在芯片中的程序进行控制，如果遇到控制对象改变或者工艺流程改进的话，不需要将整个系统拆除，只需要将相应的线接好然后根据需要编写控制程序即可。

而且PLC更为强大的是如果当前控制系统需要改变，只需要对PLC进行编程不需要再进行复杂的改造了，因此PLC作为控制器具有很大的灵活性、通用性。

2、可靠性高、抗干扰能力强

对于工业现场中的机械臂来说，高可靠性、强抗干扰能力是非常重要的一项指标，这与生产安全和人员安全息息相关，如何让控制器适应工业现场各种复杂恶劣的环境是研制每一种控制系统必须要考虑的问题。

现代化的PLC设备普遍采用技术成熟的微电子原件和芯片，传统的继电器开关量输入输出由无损耗无误触发的半导体原件替代，其可靠性程度是使用传统以继电器来实现的机械结构所无法比及的。

而且为了让PLC在环境极为恶劣的工业现场稳定工作，工程师们还在其设计和制造过程中对PLC的硬件层面和软件层面采用了一系列可靠的抗干扰措施，让其在环境恶劣的工业现场也能游刃有余。

3、操作方便、维修容易

PLC的编程采用的语言是电气操作人员普遍熟悉的的梯形图和功能助记符，用户可以很方便快速的掌握PLC的编程。

对于使用者来说，几乎不需要在进行专门的计算机知识培训便可完成简单的编程控制。

工程师编好的程序也能十分清晰直观的展现在使用者面前，只需要将操作说明书写清楚，操作人员经短期的学习就可以使用。

4、功能强

现代化的PLC不仅具有传统条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且更加强大的是它能够完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等任务。

因此在开关量和模拟量的混合控制中无需再增加单独的设备进行改造。

PLC既可以对对象控制也能对整套生产线进行控制，还能实现本地设备远程监控等多种复杂的任务。

5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化

由于传统控制系统需要应用大量的继电器等元件，导致其体积、重量很难缩减，现如今，PLC的出现使用了大量的微电子元件，这样一来无论从体积还有质量上都大大减小，而且PLC是为了工业控制而设计的专用控制器，在结构紧凑、坚固耐用、体积小巧等方面都进行了专门优化和设计，再加上PLC超强的抗干扰能力，让其成为了工业生产控制中不二的选择。

但是，可编程序逻辑控制器控制也有其不足的地方，在价格上高于继电器，在开发易用性上不如单片机，而且程序不通用，不同厂家的PLC程序不能通用，都需要各自的编程软件和配套的功能模块。

2.2.3PLC的主要功能

PLC是一种应用广泛、发展迅速的工业自动化控制装置，尤其在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）的应用领域占据重要地位。

PLC系统主要有以下功能：

1）多种控制功能；

2）数据采集、存储与处理功能；

3）通信联网功能；

4）输入、输出接口调理功能；

5）人机界面功能；

6）编程、调试功能。

如今PLC的重量、体积、功耗在原有基础上不断改进，硬件价格也逐渐走低，虽然在配套软件上价格较高，但是各厂商为了使自己的产品推广开也都地自己的软件价格进行了较大幅度的调整。

另外，工业生产中采用PLC还可以大大缩短设计施工周期，尽快投入生产。

PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求[11]。

总之，在各种环境中，PLC控制机械设备的使用在自动化生产线和生产过程的控制将更加广泛。

2.2.4PLC的经济分析

对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：

1、从影响成本的各个因素综合考虑

目前生产设备的控制装置有三种类型：

继电器控制；半导体器件控制；PLC控制。

价格相对于其他两种控制系统来说不能作为选择PLC品牌的一个因素，而可靠性和易用性则是选择PLC无可挑剔的重要原因。

2、从设计、生产周期长短考虑

对旧设备进行改造，设计新的生产机械设备，优先考虑的就是生产、设计周期问题，生产、设计周期越短，投入生产越早，盈利的时间就早。

甚至希望设计、安装、调试的同时就能够进行生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造的时候，原有的生产流程不能停止，增加的流程也要在之前的基础上施工，因为工业生产中时间就是金钱，使用PLC就能轻松实现这一点。

毫无疑问，就凭借这一点，PLC就可称为工业领域中的佼佼者。

而且这些功能都是在传统继电器控制系统中无法实现的。

使用PLC无需要对原有的布线进行大量改造，主要在程序上进行调整就可以完成，也就是说按照新的工艺流程对PLC程序重新进行设计和编写就能够对生产线进行改造。

2.2.5PLC发展状况及趋势

现代化PLC的发展主要面向两个方向：

一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展[12]。

1、大型网络化

主要向集散控制系统的发展方向，具有一定功能的DCS系统。

网络化程度高通信能力强是PLC的发展目标，向下可与多个PLC相连，向上可以接入计算机、以太网等来构成整个工厂生产线控制系统。

2、多功能

随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。

第三章机械臂模型控制系统的设计

3.1机械臂控制系统构件概述

本课题设计使用的是校研究室啤酒生产线机械臂抓瓶装箱环节的三自由度机械臂。

机械臂使用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹等部件按照相应的功能进行组装来组成；使用的电器元件有步进电机、伺服电机、直流电机、步进电机驱动器、伺服放大器、光电传感器、金属接近开关、开关电源、电磁阀、气动阀等安装在相应的位置完成了实物装置的组装。

3.1.1步进电机

采用二相八拍混合式步进电机来控制机械臂的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械臂的运动更加稳定。

主要特点：

体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图3-1所示：

图3-1步进电机电气接线图

3.1.2步进电机驱动器

步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。

驱动器参数如下表3-1、表3-2、表3-3、表3-4所示。

PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图3-2所示。

步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。

驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图3-2中1.5K电阻）。

驱动器输入端为低电平有效。

PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电

表3-1电气规格

说明

最小值

典型值

最大值

单位

供电电压

18

24

40

V

均值输出电流

0.21

1

1.50

A

逻辑输入电流

6

15

30

mA

步进脉冲响应频率

—

—

100

kHz

脉冲低电平时间

5

—

1

μs

表3-2电流设定

电流值

SW1

SW2

SW3

0.21A

OFF

ON

ON

0.42A

ON

OFF

ON

0.63A

OFF

OFF

ON

0.84A

ON

ON

OFF

1.05A

0FF

ON

OFF

1.26A

ON

OFF

OFF

1.50A

OFF

OFF

OFF

表3-3细分设定

细分倍数

步数/圈（1.8Ｏ整步）

SW4

SW5

SW6

1

200

ON

ON

ON

2

400

OFF

ON

ON

4

800

ON

OFF

ON

8

1600

OFF

OFF

ON

16

3200

ON

ON

OFF

32

6400

OFF

ON

OFF

64

12800

OFF

ON

OFF

由外部确定

动态改细分/禁止工作

OFF

OFF

OFF

表3-4接线信号描述

信号

功能

PUL

脉冲信号：

上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步

DIR

方向信号：

用于改变电机转向，TTL平驱动

OPTO

光耦驱动电源

ENA

使能信号：

禁止或允许驱动器工作，低电平禁止

GND

直流电源地

+V

直流电源正极，典型值+24V

A+

电机A相

A-

电机A相

B+

电机B相

B-

电机B相

时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，