基于PLC机械手控制新版专业系统设计.doc

四川工程职业技术学院学生毕业综合实践汇报基于PLC机械手控制系统设计学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导老师： 完成时间： 摘要 伴随科学和技术发展，机械手广泛应用于采矿、冶金、石油、化学、船舶等传统领域，同时也已开始扩大到航空，航天。生化、医药、核能等高科技领域中，本文目标关键是利用可编程控制器作为载体，设计一套程序取驱动机械手进行预订动作实现对目标抓取、搬运及投放，依据需求改变改变搬运轨迹，整个系统利用plc技术位置控制技等关键词：机械手、可编程逻辑控制器abstractWith the development of science and technology, manipulator is widely used in mining, metallurgy, petroleum, chemical, shipbuilding and other traditional areas, but also has begun to expand to aviation, aerospace. Biochemistry, medicine, nuclear energy and other high-tech fields, in this paper, the main objective is to use the programmable controller as the carrier, design a set of procedures and the drive manipulator to achieve the target capture, handling and delivery booking action, according to the demand change handling trajectory, the whole system by using the technology of PLC position control technology.Keywords: manipulator； programmable； logic controller目录绪论1.1机械手应用背景和意义机械手关键由手部、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）部件，依据被抓持物件形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多个结构形式，如夹持型、拖持型和吸附型等。运动机构，使手部完成多种转动（摆动）、移动或复合运动来实现要求动作，改变被抓持物件位置和姿势。运动机构升降、收缩、旋转等独立运动方法，称为机械手自由度。为了抓取空间中任意位置和方位物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计关键参数。自由度越多，机械手灵活度越大，通用性越广，其结构也越复杂。通常专用机械手有23个自由度。控制系统是经过对机械手每个自由度电机控制，来完成特定动作。同时接收传感器信息，形成稳定闭环控制。控制系统关键通常是由单片机或DSP等微控制芯片组成，经过对其编程实现所要功效。在现代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出专题。伴随工业现代化深入发展，自动化已经成为现代企业中关键支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随地可见。同时，现代生产中，存在着多种多样生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场所和水下作业等，这些恶劣生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现一个新技术，是现代控制理论和工业生产自动化实践相结合产物，并以成为现代机械制造生产系统中一个关键组成部分。工业机械手是提升生产过程自动化、改善劳动条件、提升产品质量和生产效率有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声和带有放射性和污染场所，应用得更为广泛，。在中国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，收到机械工业和铁路部门重视。专用机械手经过几十年发展，现在已进入以通用机械手为标志时代。因为通用机械手应用和发展，进而促进了智能机器人研制。智能机器人包含知识内容，不仅包含通常机械、液压、气动等基础知识，而且还应用部分电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，所以它是一项综合性较强新技术。现在中国外对发展这一新技术全部很重视，几十年来，这项技术研究和发展一直比较活跃，设计在不停地修改，品种在不停地增加，应用领域也在不停地扩大。伴随中国工业跨越式发展，机械手作为工业生产及装备制造业中处于及其关键位置。在工业生产和装备制造领域中充当着很关键角色，尤其是它能替换人工在有害环境中进行操作以保护人工生命安全，在各个领域全部有机械手影子：机床加工工件装卸，尤其是在自动化车床、组合机床上使用较为一般；在装配作业应用广泛，在电子行业中它能够用来装配印制电路板，在机械行业中它能够用来组装零部件；在劳动条件差，单调反复易于疲惫工作环境，可替换人劳动；可在危险场所下工作，如军工品装卸、危险品及有害物搬运等；宇宙及海洋开发；军事工程及生物医学方面研究和试验。1.2机械手应用中国外发展现实状况机械手是最早出现工业机器人，也是最早出现现代机器人。机械手研究开始于20世纪中期，首先，伴随计算机和自动化技术发展，尤其是1964年第一台数字计算机问世以来，大批量生产迫切需求推进了自动化技术发展，这为机械手开发奠定了基础；其次，核能技术研究需要一些操作机械替换人处理放射性物质，在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式主从机械手。机械手首先是由美国开发研制，50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，在高温、污染严重地方取放工件和装卸材料，也作为机床辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用。完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。1954年美国戴尔沃最早提出了工业机器人概念，并申请了示教，机械人能实现动作统计和再现。这就是所谓示教再现机机器人，现在机器人差不多全部采取这种控制方法。1958年美国联合控制企业研制出第一弹机械手铆接机器人。作为机器人产品最早实用机型（示教再现）是1962年美国AMF企业推出“ERSTRAN”和“UNIMATION”企业推出“UNIMATE”。中国机械手起步于20世纪70年代早期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代开发期和90年代应用期。在中国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，中国机械手企业面临着相当大竞争压力，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十多个研究单位和院校分别开发了固定程序，结合式，液压伺服型同用机械手，并开始了机械学（包含步行机构）、计算机控制和应用技术研究，这些机械手大约1/3用于生产。经过80年代尤其是后5年努力，吸引了160多个单位从事机械手及相关技术研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地域和十几家优势单位，培养了一支多人工业机械手设计，研制，应用队伍，造就了一批机械手教授，使中国工业机械手技术发展基础上能够立足于中国。现在中国正从一个“制造大国”向“制造强国”前进，中国制造业面临着和国际接轨、参与国际分工巨大挑战，对中国工业自动化提升迫在眉睫，政府务必会加大对机器人资金投入和政府支持，将会给机械手产业发展注入新动力。中国关键开发机械手由喷涂机械手、焊接机械手、搬运机械手和装配机械手。这些工业机械手关键由类似人手和臂组成，它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。第2章控制要求 此次设计需要自己对机械手进行多种器件选择，而且编程经过PLC运行程序，实现机械手上下，左右移动和夹取物品，此次操作要求是经过手动和自动方法来实现设计目标，其中自动有三种方法。 单步运动：按下按钮机械手完成这个动作就停止。 单周运动：按下开启按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期动作后，停在原位。 连续运动：机构停在原位时，按下开启按钮，机构自动实施周期工作。按下复位键复位。第3章设备选型3.1.控制选型输出刷新三个阶段。PLC特点：1、抗干扰能力强、可靠性高。2、控制系统结构简单，通用性强。3、编程方便，易于使用。4、功效强大，成本低。5、设计、施工、调试周期短。6、维护方便。3.2.2常见PLC介绍在中国，PLC型号有很多个，而且生产厂家也不一样，其类型也有所不一样，使用起来也全部不相同， 三菱PLC采取一类可编程存放器，用于其内部存放程序，实施逻辑运算，次序控制，定时计时和操作等面向用户指令，并经过数字或模拟量输入/输出控制多种类型机械或生产过程，三菱PLC在中国常见型号有FR-FX1S,FR-FX2N,FR-FX30等。其特点和很多PLC相同，编程简单、可靠性高、高速运算等，其缺点是，模拟量模块比较昂贵且程序复杂。西门子PLC在中国市场拥有率很大，广泛应用在多个领域里。也是技术比较成熟、最含有特色和最含有代表性微型plc，除基础指令表编程外，还能够用采取梯形图及对应机械动作步骤进行次序功效图编程，而且这些程序能够相互转换。其S7系列plc体积小，速度快，含有网络通信能力功效更强等，而且还含有强大汉字功效。综上，西门子plc愈加符合我们经济和要求，所以我们选择plc作为此次控制中心。3.2.3西门子PLC选型西门子PLC关键型号有S7-200，S7-300，S7-400，S7-1200多个型号，其用途也会有所不一样，S7-200用于小型电气系统中，着重逻辑控制，S7-300用于稍大控制系统，可实现复杂工艺控制，s7-400用于大型控制系统，关键实现冗余控制等，因为我们这次是对模型机械手控制，属于小型控制系统，而且逻辑控制要求也比较高，所以我们选择西门子PLCS7-200 CPU224 CDC/DC/DC作为此次控制中心型号，因为此型号只有14个输入点10个输出点，而我们要24个输入点11个输出点，远远不够我们需求，我们还需要一个扩展模块。S7-200扩展模块有。1. 输入扩展模块EM221: 共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。2. 输出扩展模块EM222：共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。3. 输入/输出混合模块EM223：共有6种产品。其中DC输入/DC输出有3种，DC输入/继电器输出有三种，它们对应输入/输出点数分别为4点、8点和16点。4. 模拟量输入扩展模块EM231。5. 模拟量输出扩展模块EM232。6. 模拟量输入/输出扩展模块EM235。7. 图2.1 S7-200 CPU外型图所以扩展模块EM223符合我们要求，还能够留有一定余量。3.3 电机选择3.3.1底座和手爪电机选定我们在选择过程中，首先考虑到我们所选器件是否能达成我们预定要求，性价比等，我们这次选择控制中心式直流输出，而电机又是直接收控制中心控制运行，所以我们选择俩个永磁直流电机，其型号为70TYZ05，工作电压为24V以下.工作电流小于5.1A作为底座和机械手爪旋转驱动。直流电机工作原理 直流电机再外加电压作用下，在导体中形成电流，载流电体在磁场中受到电磁力作用，经过换向器使导体进入异性磁场时，导体中电流方向也对应改变，以维持电磁转矩方向不变，从而使直流电动机连续旋转，把直流电能转换成机械能输出。直流电机组成 直流电机关键由两部分组成：定子和转子定子又包含主磁极（磁极铁心和励磁绕组组成）、换向磁极（铁心和换向磁极绕组组成）、机座，端盖等组成转子（电枢）：转轴、电枢绕组（很多线圈组成），换向器等组成3.3.2X轴和Y轴电机选定因为X轴和Y轴是距离移动，假如用通常电机控制，其速度基础上是稳定，不能加紧，也不能减慢，还不能正确停位这么会造成很多不便，所以步进电机和伺服电机就能够很好处理这个问题，经过信号来控制电机速度，精度等。伺服系统（servo mechanism）是使物体位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意改变自动控制系统。伺服关键靠脉冲来定位，基础上能够这么了解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身含有发出脉冲功效，所以伺服电机每旋转一个角度，全部会发出对应数量脉冲，这么，和伺服电机接收脉冲形成了呼应，或叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这么，就能够很正确控制电机转动，从而实现正确定位，能够达成0.001mm。伺服电机优缺点优点：速度控制正确，转矩速度特征很硬，控制原理简单，使用方便，价格廉价。缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（无尘易爆环境不宜）价格比较贵。步进电机工作原理通常电机转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子一对磁场方向和定子磁场方向一致。当定子矢量磁场旋转一个角度。转子也伴随该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前深入。它输出角位移和输入脉冲数成正比、转速和脉冲频率成正比。改变绕组通电次序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组通电次序来控制步进电机转动。步进电机特点1电机旋转角度正比于脉冲数；2电机停转时候含有最大转矩（当绕组激磁时）； 3因为每步精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步误差积累到下一步所以有很好位置精度和运动反复性；4优异起停和反转响应；5因为没有电刷，可靠性较高，所以电机寿命仅仅取决于轴承寿命；6电机响应仅由数字输入脉冲确定，所以能够采取开环控制，这使得电机结构能够比较简单而且控制成本；7仅仅将负载直接连接到电机转轴上也能够极低速同时旋转。8因为速度正比于脉冲频率，所以有比较宽转速范围。此次机械手控制电机我们使用是步进电机,参数以下品牌LIKO类型两相步进电机极数2极线数4额定转速11000r/min型号42BYGH60-1684B电压24V以下电流1.7A以下应用范围激光设备，试验台，雕刻机，小机器人等42两相步进电机，单出轴。接线方法：红蓝A+、A-,黑绿B+、B-此型号步进电机电压在我们所选择电压范围类，所以该电机能够正常开启，其载动量也很大，对于我们这次设计任务能够满足我们要求，她也拥有着步进电机全部优点，该电机在市场很轻易买到，经济实惠。步进电机组成步进电机关键也是由定子和转子组成，定子上分布着磁极，磁极上有励磁绕组，转子有转轴，滚珠轴承等。3.3.3步进电机驱动器选择选择步进驱动器首先依据所给电机电压、电流选择，我们所给定电压是24v，所以步进电机电源电压也在这个值左右，步进驱动器电源电压也是24V，我们用步进电机，起电流在1.7A以下，其型号步进电机驱动器驱动最大电流是2A，能够完全带动步进电机运行所以步进电机驱动器型号SH2024B2 满足这个要求, SH2024B2型步进电机驱动器是我厂精心研制开发二相混合式步进电机驱动器电压。工作电压15-36V该驱动器采取PWM 方法驱动,含有工作电压范围宽、效率高,相电流、细分数可调,自动半流特点,相电流设定从0.52A, 细分数设定有2、4、8、16、32、64共六档,可满足微步距驱动要求,“说明式”面板设计使操作使用方 便直观。其使用说明OPTO:为输入信号公共端,OPTO端须接外部系统VCC。若VCC为+5V则可直接连接,若VCC大于+5V,则使用到CP、DIR、FREE端子分别外串接限流电阻R,确保给内部光耦提供815mA驱动电流,参见上表1DIR:方向电平信号输入端,高低电平控制电机正/反转。信号电平改变应错开CP脉冲下降沿3us以上。FREE:脱机信号(低电平有效),当此输入控制端为低时,电机励磁电流被关断,电机处于脱机自由状态。CP:步进脉冲信号输入,下降沿有效,最高响应频率不低于100KHZ,信号电平稳定时间大于3us。 相电流设定:SH2024B2型驱动器采取拨位开关设定相电流。驱动器细分设定后电机步距角等于电机整步步距角除以细分数。比如:细分数设定为2,驱动0.9/1.8二相电机,其细分步距角为1.8/2=0.9。 注:拨位开关ON=0,OFF=1,细分数设定好后驱动器须断电复位(或脱机一次)方可有效。相电流设定(位1 2 3)1 2 3相电流1 2 3相电流0 0 00.5A1 0 01.2A0 0 10.6A1 0 11.3A0 1 00.8A1 1 01.6A0 1 11.0A1 1 12.0A3.3.4微动开关选择第一个，按下一步选择数字量输出口，Q0.0和Q0.1选择后在下一步选择脉冲PTO或PWM,因为我们所选驱动器是PWM驱动，所以我们选择PWM,选择后在下一步最终直接点击完成回到PLC编程页面，点击调用子程序点击PWM0-RUN图PLCs7-200自带脉冲功效为我们提供了很大方便，使程序变得简易部分3.3.8手爪驱动方法第4章硬件设计4.1机械手简单介绍4.2此次用到多种电器元件4.3PLC控制机械手结构图4.4动作过程机械手开始处于原点，按下开启按钮，机械手沿X轴前进，碰到后限位开关后停止，然后机械手沿Y轴下降，碰到下限位开关停止，然后机械手手爪开始旋转到靠近开关停止，手爪夹紧，然后机械手开始上升到上限位开关和沿X轴后退到前限位开关停止，底盘顺时旋转到靠近开关停止，机械手又要下降到下限位开关和沿X轴前进到后限位开关停止，在机械手爪开始逆时旋转到靠近开关停止，手爪松开，机械手分别沿Y轴和X轴上升到上限位开关、后退到前限位开关停止，最终底盘逆时针旋转到靠近开关停止，机械手完成整个过程并回到了原点。4.5 I/O表输入输出4.6接线原理图4.7程序复位设计总结致谢这里请接收我真挚谢意。参考文件1 罗光伟.PLC控制系统设计安装和调试M.北京：电子工业出版社，.2 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，.3 许廖.电机和电气控制技术M.北京：机械工业出版社，.4 刘伟.搬运机械手控制系统设计A.江苏：江南大学，.5 徐英.教学型PLC机械手控制系统设计D.江苏：苏州大学，.6 张崇国.基于PLC步进电机细分控制研究A.山东：山东科技大学，.7 董雷.基于PLC上药机械手设计和研究A.河北：河北联合大学，.8 李品辛.基于PLC机械手控制系统设计A.陕西：西安思源学院，.9 周鹏.搬运机械手教学模型设计及其PLC控制系统A.上海：中国海洋大学，.10王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981.11吴建强.可编程控制器原理及其应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.12王永华.现代电气及可编程序控制器技术M.北京：航空航天大学出版社，.13殷建国.工厂电气控制技术M.北京:经济管理出版社，.14王孙.关节式机械手本体及控制系统设计M.西安交大机械电子工程研究所，.15瞿大中.可编程控制和试验P.华中科技大学出版社，.16余雷声.电器控制和PLC应用M.北京：机械工业出版社，1996