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基于plc的機械手控制系統(tǒng)設計答辯已過-文庫吧

2025-06-11 17:22 本頁面


【正文】 為一門新興學科,并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中,機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視??傊?,機械手是提高勞動生產率,改善勞動條件,減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的一個重要手段。國內外都十分重視它的應用和發(fā)展??删幊绦蚩刂破?PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發(fā)展,PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步,已經成為工廠自動化的標準配置之一[1]。 由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等,而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性,如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學,因此工業(yè)領域中廣泛應用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應用較多,如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產線上應用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低,因此用PLC來控制的機械手還比較少。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。通過此次設計可以更進一步學習PLC的相關知識,了解世界先進水平,盡可能多的應用于實踐[2]。 國內外機械手研究概況機械手自二十世紀六十年代初問世以來,經過40多年的發(fā)展,現(xiàn)在已經成為制造業(yè)生產自動化中重要的機電設備。目前,正式投入使用的絕大部分機械手屬于第一代機械手,即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng),沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官,主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官,仍然以程序控制為基礎,但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法?,F(xiàn)在,第三代機械手正在第一、第二代機械手的基礎上蓬勃發(fā)展起來,它是能感知外界環(huán)境與對象物,并具有對復雜信息進行準確處理,對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物,具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺,能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作,具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能[3]。目前機械手技術有了新的發(fā)展:出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)(如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等)、機械手化機器、智能機械手(不僅可以進行事先設定的動作,還可按照工作狀況相應地進行動作,如回避障礙物的移動,作業(yè)順序的規(guī)劃,有效的動態(tài)學習等)。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展,并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊[4] [5]。國外方面:近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高,而單機價格不斷下降;機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展;控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展;傳感器作用日益重要;虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。國內方面:目前在一些機種方面,如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手(水下、爬壁、管道、遙控等機械手)基本掌握了機械手操作機的設計制造技術,解決了控制驅動系統(tǒng)的設計和配置,軟件的設計和編制等關鍵技術,還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調控制技術;在基礎元件方面,諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說,我國已經具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎[6]。 課題研究的內容本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設計,包括硬件的設計和軟件的設計。通過設計編制PLC程序實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的自動控制。硬件部分包括主電路圖的設計、傳感器的設計以及PLC控制電路設計。軟件部分包括總體流程圖、梯形圖、編程指令等。第2章 方案設計與論證正如“建筑要穩(wěn)固,地基要打好”,一個系統(tǒng)的設計能否成功,主要取決于它的方案是否合理,也就是說方案的選擇是設計系統(tǒng)的核心部分。本章主要就系統(tǒng)的驅動部分、控制部分等進行方案選擇論證,并簡述了系統(tǒng)的工作原理。 方案設計:集散控制系統(tǒng)(TDCS)(1)硬件組成:TDCS、A/D轉換器、D/A轉換器、繼電器、電機、顯示燈(2)工作原理:D/A轉換器將外部開關信號轉換成模擬信號,然后傳給集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)通過A/D轉換器將輸出模擬信號轉換成數(shù)字信號,從而控制電機的繼電器線圈來控制各個電機的正反轉,最終使機械手能夠在X軸與Y軸運動。機械手的運動情況由顯示燈進行指示。(3)集散控制系統(tǒng)原理框圖: 集散控制系統(tǒng)原理框圖 :工業(yè)控制計算機系統(tǒng)(IPCS)(1)硬件組成:主機板、外部總線、內部總線、人機接口、通訊接口(2)工作原理:工業(yè)控制計算機(簡稱工控機)是一種應用于工業(yè)生產過程控制的專用計算機,它能將生產的過程和管理調度相結合,從而使工業(yè)在就地控制加集中控制的基礎上,進一步向自動化方向發(fā)展。(3)工控機的硬件組成機構:人機一接口系統(tǒng)支持硬盤系統(tǒng)通信接口數(shù)字量輸入通道(DI)模擬量輸出通道(AO)數(shù)字量輸出通道(DO)圖 工控機的硬件組成結構:PLC控制系統(tǒng) (1)硬件組成:PLC、外部開關設備、電源、顯示燈、繼電器、電機(2)工作原理:外部開關設備將機械手的位置信號反饋給PLC主機,PLC主機通過控制各個電機的繼電器線圈的通斷,從而控制電機的正反轉,使機械手能夠在橫軸與豎軸運動。機械手的運動狀態(tài)通過顯示燈指示。(3)PLC控制系統(tǒng)原理框圖: PLC控制系統(tǒng)原理框圖 方案論證各自技術發(fā)展的起源計算機是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設備。硬件結構方面,總線標準化程度高,兼容性強,軟件資源豐富,特別是有實時操作系統(tǒng)的支持,故對要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng),所以其在模擬量處理、回路調節(jié)方面具有一定優(yōu)勢,初期主要用在連續(xù)過程控制,側重回路調節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來,主要應用在工序控制上,初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng),側重于開關量順序控制方面。近年來隨著微電子技術、大規(guī)模集成電路技術、計算機技術和通信技術等的發(fā)展,PLC在技術和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎上,增加了數(shù)值運算、閉環(huán)調節(jié)等功能,增加了模擬量和PID調節(jié)等功能模塊;運算速度提高,CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機;通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網絡(LAN),因而也可構成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線,暨向下拓展功能,開放總線。優(yōu)缺點方案一:TDCS系統(tǒng)是一個大系統(tǒng),其控制器功能強而且在系統(tǒng)中作用十分重要,數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵,所以,必須整體投資一步到位,事后的擴容難度較大;它屬于封閉式系統(tǒng),各公司產品基本不兼容;該系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號行程的,必須有D/A和A/D轉換;它可以控制和監(jiān)測工藝全過程,對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是由于自身的致命弱點,其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號,因此它無法在TDCS工程師站上對現(xiàn)場儀表進行遠方診斷、維護和組態(tài)。方案二:用工業(yè)PC機控制車庫電機是早期用得比較多的一種控制方式,它可以充分利用一般計算機提供的各種軟件和硬件資源,利用WINDOWS或其它操作系統(tǒng),方便地對系統(tǒng)的進行控制。但是它要求設計人員單獨設計系統(tǒng)的I/0接口電路,獨立開發(fā)系統(tǒng)軟件,編制軟件的人員素質水平對系統(tǒng)控制有很大影響,因此它不具有通用性。方案三:PLC控制系統(tǒng)具有體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴展等特點,可以根據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求。機械手采用PLC控制技術,可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度,減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線,提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時,用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產流程,增強控制功能。相同點在微電子技術發(fā)展的背景下,從硬件的角度來看,PLC、工業(yè)計算機、集散系統(tǒng)(TDCS)之間的差別正在縮小,都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。不同點由于PLC和計算機屬于兩類產品,經過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具,實際上它們的區(qū)別仍然存在。PLC用編程器或計算機編程,編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機結構形成組態(tài)構成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。特別需要提出的是,PLC與STD總線工控機的區(qū)別,無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行,但在線運行時若要進行較大的程序修改,其能力略遜于STD工控機,但是從開關量控制而言,PLC的性能優(yōu)于STD工控機。總的來說,在選擇控制器時,首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經濟性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的,也沒有哪種產品絕對差,只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產品[7]。 機械手控制方式的選定PLC實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng),其控制功能基本都是通過設計軟件來實現(xiàn)的,這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng),根據(jù)機械設備的工藝流程來設計。PLC自問世以來,經過20多年的發(fā)展,在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要產業(yè),當前,PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產品[8],用PLC設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC之所以有生命力,在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求:高可靠性、強抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機,它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設備,不需添加太多的中間部件或需要更多的接口,這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件,而上端一般是面向用戶的微型計算機。人們在應用它時,可以不必進行計算機方面的專門培訓,就能對可編程控制器進行操作及編程,用來完成各種各樣的復雜程度不同的工業(yè)控制任務。綜上所述,本控制系統(tǒng)采用PLC控制方式。 第3章 系統(tǒng)硬件設計本設計以可編程控
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