三自由度工业用机械手控制新版系统标准设计.docx

宁波理工学院 毕业设计（论文）题 目 三自由度工业用机械手控制系统设计 姓 名 XXX 学 号 3021142XXX 专业班级 10 机械 指导老师 XX 分 院 成人教育学院 完成日期 年4月X日 摘 要机械手是机器人研究热门领域之一，不仅在工业还在其它行业全部发挥着越来越大作用。而且伴随工业生产自动化程度不停提升，工业机械手在生产现场流水线中饰演着越来越关键作用，现在已成为现代化工业生产中不可缺乏关键步骤。本文在了解机械手和PLC控制技术中国外研究现实状况及发展趋势基础上，而选择了三自由度机械手作为控制对象进行研究。本文基于控制和计算机监控相关理论，依据工业机械手控制要求，完成了其运动控制设计和组态监控系统构建，对控制系统总体结构、控制步骤和组成系统各个模块功效和控制方法进行了研究。关键词: 三自由度机械手；PLC；控制系统；工业生产Abstract Robot is one of the hot areas of robot research and is playing an increasingly important role not only in industry but also in other industries. At the same time, with the continuous improvement of industrial production automation, industrial robots in the production site of the pipeline plays an increasingly important role, has become an indispensable modern industrial production important link.Based on the research status and development trend of robot and PLC control technology, this paper chooses three-degree-of-freedom manipulator as the control object.Based on the theory of control and computer monitoring, this paper completes its motion control design and configuration monitoring system construction according to the control requirements of industrial manipulator. The overall structure of the control system, the control flow and the function and control mode of each module constituting the system Were studied.Keywords: Three degrees of freedom manipulator; PLC; Control System；Industrial production目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV1.引言11.1 研究机械手意义11.2 机械手组成和分类21.2.1机械手组成21.2.2 机械手分类31.3 机械手中国外研究现实状况31.3.1 机械手国外研究现实状况31.3.2 机械手中国研究现实状况32.机械手控制系统总体设计方案52.1工业机械手工艺步骤52.2工业机械手运动参数分析62.3工业机械手总体模块设计62.3工业机械手总体模块概述72.3.1 控制器模块82.3.2驱动模块82.3.3 实施模块82.3.4传感器模块83.机械手硬件系统设计103.1硬件系统结构103.2伺服控制系统设计113.3气动控制系统设计113.4机械部件设计123.5传感器设计124.PLC控制器设计144.1 PLC 控制器特点144.2 PLC 控制器程序设计144.2.1 PLC 回原点程序144.2.1 PLC手动程序操作示意154.2.2 PLC自动程序操作示意15参考文件17致谢181.引言1.1 研究机械手意义工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现一项新技术，已经成为现代制造生产系统中一个关键组成部分。机械手快速发展是因为它含有主动作用正日益为大家所认识：首先，它能部分地替换人工操作；其次，它能根据生产工艺要求，遵照一定程序、时间和位置来完成工件传送和卸载；最终，它能操作必需机具进行辉接和装配。伴伴随现代工业生产快速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。所以对机械手控制要求也越来越高，假如采取传统继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。针对这些问题假如采取性能价格比高可编程序控制器（PLC）设计其控制系统，可使该系统运行可靠性高、故障率低、维修方便，而且能够取得良好工作效。Programmale Logicalontroller简称为PLC，多年以来PLC逐步以微处理器作为中央处理单元，不仅含有逻辑控制，还有算数模拟等功效。它工作原理图 1-1所表示。图 1-1 PLC工作原理1.2 机械手组成和分类1.2.1机械手组成机械手通常由控制器、驱动模块、实施机构、位置检测传感器等部分组成。在其中控制器是机械手系统关键，它对整个系统运行起控制决议作用，其关键功效是根据程序要求控制多种驱动设备和实施机构，驱动工业机械手根据预定动作要求完成对应动作；驱动模块由动力源和辅助装置组成，作为实施机构驱动源，为工业机械手运动提供动力起源。现在较为普遍驱动方法有电力方法驱动、液压方法驱动、气压方法驱动和机械方法驱动；实施机构完成机械手实施动作，现在机械手较为常见实施机构有手抓、夹钳和吸盘等；位置检测传感器关键用于检测机械手位置，并将位置信息实时反馈给控制器，组成闭环控制系统，能实现较为正确定位。常见机械手控制系统组成原理图图 1-2 所表示。图 1-2 常见机械手控制系统组成原理图1.2.2 机械手分类相关工业机械手分类，在国际上尚无统一标准，在中国临时按驱动方法、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。若根据驱动方法进行分类，机械手能够分为液压传动机械手、气压传动机械手、电力传动机械手、机械传动机械手等。1.3 机械手中国外研究现实状况1.3.1 机械手国外研究现实状况美国是机器人诞生地，而且每次机器人更新换代，全部是以美国机器人产品为导向，经过半个世纪发展，现在仍然是世界上机器人技术最优异国家之一，凭借其全方面和优异技术、良好适应性等特征，美国机器人技术一直处于世界领先水平。日本一有机器人王国之称，其机器人数量和密度全部是世界第一，上世纪80年代至90年代，日本机器人进入全盛时期，以后20世纪以来，伴伴随亚洲国家对于机器人巨大需求，日本机器人发展重新焕发生机，将迎来一个新发展阶段。德国、法国和英国是欧洲三个最大机器人市场，现在德国机器人数量仅次于日本，居世界第二位。德、法、英工业机器人发展，政府引导和促进发挥了关键作用。1.3.2 机械手中国研究现实状况中国现有机器人研究机构和相关单位已经超出200余家，其中，从事工业机器人研究及其产业化发展超出80家。现在这些科研机构和单位已经能够基础掌握控制系统硬件结构原理及实现、软件算法设计、运动学和运动轨迹计划等，开发出工业机器人中有90%以上用于生产实际之中，依据发达国家产业发展和升级历程和工业机器人产业化发展趋势估计，到，中国机器人市场容量将达几百万台套。即使中国对于工业机器人数量有刚性需求，不过中国生产工业机器人不管是在产品性能、技术水平和规模产业等方面和国外还存在着较大差距。究其原因，首先是因为中国在发展工业机器人过程中，忽略了和企业相结合，造成极难结合实际进行研发，实用性方面较差；其次是中国相关工业机器人研究方法和研究策略，一直走是引进和学习外国技术，然后在此基础上做开发和研究，这么就造成自主创新技术和创新意识缺乏，很大程度上制约了中国工业机械手产业发展。2.机械手控制系统总体设计方案本章关键说明了机械手控制系统工艺步骤，由此提出了大致设计方案，且对组成系统各个模块作了通常概述。采取组件化思想进行系统构建，发挥各个模块优点，实现高效和集成化程度高系统建立，对工程人员实现较优化控制相关键意义。2.1工业机械手工艺步骤本设计耍求在流水线、空位和导轨之间设置一个机械手，用以完成工件在三个工位之间空间位置转换。依据系统控制要求，机械手能够以手动和自动两种方法完成工件搬移工作。对于手动控制方法，根据点动方法进行，手动控制按钮有手动右移、手动左移、手动前进、手动后退、手动上升、手动下降、手动吸附和手动松开，按下对应按钮，机械手分别实施机械手臂轴右移、轴左移、轴前进、轴后退、轴上升、轴下降、吸盘吸附、吸盘松开动作。其关键功效实现示意图应该图 2-1 所表示：图 2-1 机械手控制系统原理图图 2-2 机械手工作步骤示意图图2-2 所表示对于机械手而言能够让手臂根据 X轴取样品，经过转杠来旋转位置，在Y 轴上平移移走样品，最终控制手臂释放样品。2.2工业机械手运动参数分析据流水线具体资料分析我们能够机械手运动参数分析设计：1、 最大工作半径：1600mm；2、 手臂运动参数，手臂最大中心高度：900mm；伸缩行程：800mm；伸缩速度：小于200mm每秒；升降行程：300mm；升降速度：小于60mm每秒；摆动范围 0180；摆动速度：小于70每秒；3、 定位精度：-3mm +3mm；4、 驱动方法：气压（中、低压方法）5、 手指加持范围：50 100mm；6、 手腕运动参数：回转范围：0 180；回转速度：小于90每秒。2.3工业机械手总体模块设计在本设计中，将系统分成各个不一样组成模块，经过有机组合实现系统功效。系统大致由以下多个部分组成：上位机监控系统、运动控制模块、驱动模块、实施部件模块、传感器模块等。其中，上位机监控系统经过和现场数据实时交换，实现对系统监控功效；运动控制模块主耍用以实现运动程序控制要求和发送控制命令，实现对实施部件控制；驱动模块为各实施部件提供动力；实施模块主耍是为完成作业要求，实现多种运动机械部件。各模块间相互关系图 2-3所表示。图 2-3 机械手各模块示意图系统由上述多个模块协调工作，共同完成系统控制任务。控制面板装有自动手动控制方法转换开关、手动控制按钮、停止等按钮。系统控制关键是可编程控制器，外部信号和控制面板上幵关、按钮等经过控制电路接入可编程控制器输入端，经过控制器内控制程序输出控制结果，做出对应输出响应，经输出控制电路驱动伺服系统和气动系统；伺服系统和气动系统动作，驱动机械部件进行运动，将工件取至需要放置地方；过程中，机械手空间位置情况信号全部经过组态中数据库实现实时更新，经过构建画面和动画连接，实时反应机械手运动情况。2.3工业机械手总体模块概述2.3.1 控制器模块运动控制器是运动控制系统关键，其在系统控制中任务是产生控制命令和使系统输出信号跟随参考位置。本设计采取控制器是三菱企业PLC。PLC是以微处理器为关键工业自动化控制装置，含有可靠性高、运算速度快、存放量大、功效强劲、易于和计算机相连接等特点，被誉为现代工业生产自动化三大支柱之一，现已在工业控制领域得到极广泛应用。PLC含有很高可靠性，这归功和其采取电路设计技术和生产制造工艺；还能够自我检测系统硬件故障；在软件设计中，能够编写相关程序进行故障诊疗，在硬件和软件两个方面确保了高可靠性。现代在数据计算能力方面比之前大大提升，能控制系统也越来越复杂；将控制系统外部接线用程序方法表示出来，使得系统硬件维护工作量降低很多，更关键是若需要改变某一工艺步骤，只需改变内部控制程序即可实现。2.3.2驱动模块驱动模块是指驱动器及相关组件。驱动器是将运动控制器输出小信号放大以驱动伺服机构部件，对于不一样伺服机构，驱动器有电动、液动和气动等类型。运动控制系统采取作为控制器，通常驱动器为变频器、伺服电机驱动器、步进电机环形驱动器等, 本设计采取伺服电机驱动器。2.3.3 实施模块实施模块关键功效是驱动被控对象，本系统实施模块包含伺服电机和气缸。交流伺服电机包含永磁同时电机和感应式异步电机，交流伺服电机含有加减速时间短、精度高、反应速度快、过载能力强、可靠性高、效率高、外形尺寸小和质量轻等特点。实施部件和被控对象相联络动力学特征对于系统性能影响很大，也在很大程度上决定了被控对象是否能够达成预期控制要求，所以，实施模块是系统性能展现方法。2.3.4传感器模块在运动控制系统中，传感器获取系统中几何量和物理量信息，再将这些信息提供给运动控制器，为实现控制策略提供依据。检测装置向运动控制器反应系统情况，同时也能够在闭环或半闭环系统中形成反馈回路，将指定输出量反馈给运动控制器，控制器再依据此信息作出控制决议。检测装置关键用于检测运动参数和力学参数，前者有如位置、速度或加速度等信息，后者有如电压或电流信号等。没有信息反馈控制是盲目标，而错误信息反馈也会造成控制失误，检测装置基础特征和关键指标是正确性和实时性。3.机械手硬件系统设计本章关键研究系统硬件组成，包含控制电路设计、伺服电机控制系统设计、气动控制系统设计、机械部件选型等，输出控制结果，实现伺服电机运转和气缸动作等，实现系统控制功效。3.1硬件系统结构本设计研究机械手属于直角坐标式工业机械手，含有三个自有度，关键由机座、导轨和和各个方向上机械手臂组成，手臂主耍用以完成工作部件位移。机械手三个自由度为X、Y、Z个方向直线运动，其最终实施机构由气动吸盘来完成。实施部件和机械部件包含、自由度上驱动电机和滚珠丝杠，自由度上控制气缸，和控制吸收工件实施机构气动吸盘，结构图 3-1所表示。图 3-1 机械手结构示意图机械手X方向上移动由安装在X轴基座1上伺服电机2驱动，伺服电机2经过联轴器和丝杠3相连，Y轴基座固5联到和丝杠3配合螺母上，从而电机2驱动丝杠带动Y轴基座5沿移基座X方向运动，导轨4安装在X轴基座1上，滑块安装在Y轴基座5上。Y轴方向移动由安装在Y轴基座5上轴伺服电机6驱动，伺服电机6经过联轴器和丝杠7相连，架子9固联到和丝杠7配合螺母上，从而电机6驱动丝杠带动Z轴导轨沿Y基座方向移动，导轨8安装在基座5上，滑块安装在架子9上。3.2伺服控制系统设计伺服系统是指用来控制被控对象某种状态，使其能自动地、正确地、连续地复现输入信号改变规律，也被称为随动系统。伺服系统是自动控制系统一个分支，伴伴随自动控制理论、微电子技术、电力电子技术和计算机技术飞速进步，伺服技术得以快速地发展，包含到众多领域。依据伺服系统分类，本控制系统属于交流伺服系统，半闭环控制系统。本伺服运动控制包含硬件结构有：三菱PLC、伺服驱动器，伺服电机，伺服编码器等。脉冲输入方法有集电极开路方法和差动驱动方法两种，为了方便实现同时对两部电机控制，本设计采取差动驱动方法。总体框架图图3-1 所表示：图 3-1 伺服系统组成示意图3.3气动控制系统设计气动系统由气源装置、控制元件、实施元件和辅助元件组成，由原动机机取得气源，经空气压缩机、后冷却器、油水分离器和气罐，得到清洁、干燥空气，经过控制装置和实施元件，实现压力能到机械能转换。在本设计中，轴上下运动选择三位五通电磁阔作为气动系统控制装置，气缸作为实施装置。三位五通电磁闽是指电磁阔有三个工位和五个通口。控制三位五通电磁需要两个线圈，当两个线圈全部未得电时，此时阀芯有一个工位，当得电时，阀芯抵达第二个工位，当得电时，阀芯抵达第三个工位；五个通口是指连接气源进气口，连接气缸气缸口和两个排气口。实施装置气缸，在控制装置电磁阀控制之下，将压力能转化为机械能，驱动机械手进行对应动作。依据上述设计，气动控制图 3-2 所表示：图 3-2气动系统组成示意图3.4机械部件设计本机械手机械部件关键包含有滚珠丝杠副和导向支撑部件。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠、滚珠螺母和相关循环零件组成以圆柱螺旋线为运动轨迹传动部件。主耍用来将回转运动转化成直线运动，在火导程情形下将直线运动转化成冋转运动。广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、紡织机械、制药机械、玻璃机械和其它需耍精密路径定位领域。选择导向支撑部件需要有较高导向精度，导轨副基础性能指标即是导向精度，这是确保机械手各个手臂能够正确运动确保；另外，要考量使用寿命、安装工艺等系列问题，本设计拟采取滚珠直线导轨。3.5传感器设计传感器是一个以一定正确度将被测量转换为和之有对应关系、易于处理和测量某种物理量测量部件和装置。在机械手运动控制系统中使用传感器是将某种运动信号转变为电信号装置。本系统中用到关键传感器有光电到位开关和光电编码器。光电到位开关即光电传感器，是采取光电元件作为检测元件传感器，它利用被检测物对光束遮挡和反射，将被测量改变转换为光信号改变，然后借助光元件深入将光信号转化成电信号。传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。通常传感器选择波长靠近可见光红外线光波型。光感器内部电路图图 3-3 所表示；图 3-3气动系统组成示意图在本系统控制中，光电编码器安装在伺服电机驱动轴上，由丁检测伺服电机转角，将转角信号回传给伺服放大器，实现半闭环控制。4. PLC控制器设计4.1 PLC 控制器特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强。这关键表现在内部电路技术和制作工艺上，电路设计采取了集成电路技术并依据极为严格制作工艺进行电路生产，并综合了优异抗干扰技术，使得含有极高可靠性；另外还带有硬件故障自检测功效，出现故障能够立即地进行报警；另外，还能够在应用软件中编写外围设备故障自诊疗程序，使系统中除了之外电路和设备也能取得故障自诊疗保护功效，这些技术采取确保了高可靠性和强干扰能力。(2) 配套齐全，功效完善，适用性强。经过几十年发展，多种型号产品全部发展比较成熟。（3）易学易用，易于为工程人员接收。它接口电路简单，编程语言中梯形图语言使用元件符号，和继电器控制电路和结构方法很相同，梯形图编程语言开关量逻辑控制指令能够经过编写控制程序方便地实现后者控制功效，为不熟悉或极少使用电子电路工程人员从事工业控制带来了极大方便。4.2 PLC 控制器程序设计4.2.1 PLC 回原点程序系统开启后全部要进行回原点操作，即按下开启按钮后，程序进行自动搜索原点，程序有原点到位显示，若不显示原点则进行手动返回。系统在初始化实施回原点程序后，机械手停在原点。4.2.1 PLC手动程序操作示意图 4-2 手动操作组成示意图手动运行方法下，按下控制面板上手动控制按钮，信号经前端电路输入至输入端，经程序编译后，依据输出结果控制对应实施机构。4.2.2 PLC自动程序操作示意图 4-3自动操作组成示意图自动操作程序是指系统从初始步开始根据周期反复地连续工作。依据机械手动作耍求，先确定自动控制次序功效图，再依据次序功效图进行程序设计。自动控制程序具体动作时序图如上4-3所表示。参考文件1 李瑞峰中国工业机器人产业化发展战略J.航空制造技术,(9)2 廉立静工业机器人在汽车制造关键作用J.汽车零部件,3 顾翔华中囯汽车产业发展现实状况及趋势J.汽车零部件,4 顾震宇全球工业机器人产业现实状况和趋势J.机电一体化,5 宋慧欣机器人是制造业迎接挑战关键J.自动化博览,6 钱显毅，唐国兴传感器原理和检测技术M.机械工业出版社,7 郭剑晖. 机械手PLC控制系统设计D. 南昌大学, .8 徐玲. 基于MCGS组态软件气动机械手PLC控制系统设计J. 伺服控制, (1):51-53.9 Saunders C M, Larman M G, Parrington J, et al. PLC zeta: a sperm-specific trigger of Ca(2+) oscillations in eggs and embryo development.J. Development, , 129(15):3533.10 Abdallah S, Nijmeh S. Two axes sun tracking system with PLC controlJ. Energy Conversion & Management, , 45(1112):1931-1939.致谢本论文是在导师XX教授悉心指导下完成。导师渊博专业知识，严谨治学态度，精益求精工作作风，诲人不倦高尚师德，严以律己、宽以待人高尚风范，朴实无华、平易近人人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大学术目标、掌握了基础研究方法，还使我明白了很多待人接物和为人处世道理。本论文从选题到完成，每一步全部是在导师指导下完成，倾注了导师大量心血。在此，谨向导师表示高尚敬意和衷心感谢！在研究过程中，尤其感谢XX师兄在试验过程中给我支持和教导，从师兄这学会了很多思索方法和知识，对我毕业论文起到了关键作用！因为本人水平有限，在论文中难免存在不足，欢迎论文评审教授批评指正。在此，我谨向导师、论文评审教授、全部帮助过我老师、同学和好友们表示最真挚感谢。