基于plc的四自由度机械手控制系统精品设计

基于plc的四自由度机械手控制系统精品设计内容摘要：

脉冲或电位； 强电或弱电等。 有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按 钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 ③ 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采 用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机 架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 ④ 编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需 要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 ⑤ 安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。 使用时只需将现场的 各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。 各种模块上均有运行和故障 指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 PLC 的工作原理 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（ RUN）状态与停止（ STOP）状态。 在运行状态，可 编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。 为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户 程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机 或切换到 STOP 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5个阶段。 可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入 输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。 在内部处理联合阶段。 可编程序控 制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。 当可编程序控制器处于停止（ STOP）状态时，只执行以上的操作。 可编程序控制起处于（ RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。 可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。 在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通 /断开（ ON/OFF）状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“ 1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。 外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“ 0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开， 常闭触点接通。 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。 在没有跳转指令时， CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。 在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄 存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段， CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。 体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“ 1”状态。 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“ 0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。 某一编程元件对应的映像寄存器为 “ 1”状态时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“ 0”状态时，称该编程元件为 OFF。 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次图 所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1~100ms。 指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。 当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。 不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。 如图 11所示。 图 11 PLC 的扫描运行方式 （ 1）输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次读入所有的数据和状态它 们存入 I/O 映象区的相应单元内。 输入采样结束后，转入用户程序行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入数据和状态发生变化 I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。 所以输入如果是脉冲信号，它的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （ 2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， PLC 的 CPU 总是由上而下，从左到右的顺序依次的扫描梯形图。 并对控制线路进行逻辑运算，并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态。 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 例如：算术运算、数据处理、数据传达等。 第 (N1)个扫描周期 输出刷新 第 (N+1)个扫描周期 输入采样 第 N 个扫描周期 输入采样 输出刷新 用户程序执行 （ 3）输出刷新阶段 在输出刷新阶段， CPU按照 I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路，再经输出电路驱动响应的外设。 这时才是 PLC 真正的输出。 (4)输入 /输出滞后时间 输入 /输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。 输入模块的 CPU 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时 的滞后时间约为 1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。 可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十 ms，对于一般的系统是无关紧要的。 要求输入 —输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。 本课题的目的和意义 自改革开放，我国经济高速发展，机械手早期应用在汽车制造业。 当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。 机械手的使用能够显著的提高生产效率，减 少人为因素造成的废次品率。 机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。 它的特点是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人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。 随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。 可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。 本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将 PLC 应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件件设计。 2 系统结 构 的 确定 工业机械手概述 工业机器人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作 业的机电一体化自动化生产设备。 特别适合于多品种、变批量的柔性生产。 它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、 信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研 究十分活跃，应用日益广泛的领域。 机器人应用情况，是一个国家工业自动 化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快 速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环 境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 .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”。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化 水平和劳动生产率 :可以减轻动强度、保证产品质量、实现安全生产。 尤其在高温、高压、低温、低压、 粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。 因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、 喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 .机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。 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。 机械手设计 机械手组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 (一 )执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 手部 : 即与物件接触的部件。 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。 夹持式手部由手指 (或手爪和传力机构 ）所构成。 手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式 转型 和平移型。 回 转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。 平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构 取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。 常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式。 指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。 传力机构型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 手腕 : 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) 手臂 : 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是带动手指 去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 .工业机械手的手臂通常由驱 动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮 机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 立柱 : 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动 和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。 机械手的立 I 因工作需要，有时。