基于PLC控制的机械手设计.doc

1、摘 要本次设计实验用机械手为实验用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备上料、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。采用PLC控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词 机械手，搬运ABSTRACTThe dedicated manipulator used

2、to experiment with manipulator design experiment, mainly by hand, arm, body, frame, etc, have loading, transportation and other functions, the manipulator body adopts frame type, the subjects around the stand layout, drive motor drive, using motor drive reducer, reducer rotation driven by gear after

3、 implement the rotary motion. Electric drive has the advantage of high accuracy, can accurate positioning, responsive, which can realize continuous trajectory control of high speed, high precision, good servo characteristics. The design of the manipulator can complete a variety of actions of differe

4、nt objects. PLC control system, finally realizes the joint servo control, real-time monitoring and braking movement of each joint of the robot, the robots online modify the program, set the reference point, and back to the reference point.Key words： Mechanical hand, transporting目录II- I -摘 要1ABSTRACT

5、2第一章 绪论31.1课题研究的目的和意义31.2 国内外机械手研究概况31.3课题研究的内容和预计达到目的4第二章 机械手介绍52.1机械手驱动系统选型52.2机械手控制系统选型7第三章 S7-200系统的基本介绍93.1 S7-200硬件系统基本构成9第四章 电机和传感器选择124.1电机选择124.2传感器选择14第五章 控制部分设计155.1电机正反转的实现155.2 PLC程序编写165.3 PLC程序调试25结 论27参考文献28致 谢29第一章 绪论1.1课题研究的目的和意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得

6、到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。可编程序控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。由于自动化可以节省大量的人力、物

7、力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。1.2 国内外机械手研究概况机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属

8、于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。目前机械手技

9、术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

10、国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。1.3课题研究的内容和预计达到目的本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制PLC程序实现机械手模

11、型控制系统的自动控制。利用组态软件MCGS设计出人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过MCGS将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。本课题要达到的目的有：1.机械手的机构能满足其动作要求，实现相应功能。2.上升，下降，夹紧等动作的实现手段。3.电动机正反转的控制。4.运用PLC控制动作的转换4.完成基本设计后要达到以下要求：实现原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作；搬运过程平稳可靠，断电情况下不会出现工件的脱落。第二章 机械手介绍在本

12、课题中机械手主要是由执行机构，控制系统，驱动系统三部分所构成。其中执行机构即机械手的机械部分，由于此课题主要研究的是通用机械手的控制系统设计，所以在这里不需要再另外进行机械部分的设计，所以这里只做简要的介绍。顾名思义在本课题中执行机构即是指机械手，而机械手又由手指，关节，大臂，小臂，支座等几部分构成，通过这几部分来模拟人手臂，以期完成需要的动作实现其功能。与此同时在该装置中驱动系统主要采用电机驱动，通过电机来给予整个装置提供动力和运动支持，它的选择是经过与其他驱动方式相互比较后得来的，这一点在后面的论文中会有详细的介绍。最后关于机械手的控制系统的选择及其控制功能的实现，由于PLC软件具有简单易

13、学，使用和维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等优点，因此这里选择的是PLC（可编程逻辑控制器）控制系统。2.1机械手驱动系统选型 该机械手一共具有三个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表1表2-1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低

14、速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个

15、大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手，如冲压机械手本体的气动平衡及装配机械手气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机械手驱动系统的设计要求，