【正文】 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文（設(shè)計）題目：基于PLC的機(jī)械手自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法研究 工作臺上工件搬移機(jī)械手學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化摘 要隨著可編程控制器應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，使得當(dāng)今工程技術(shù)人員在設(shè)計電氣控制系統(tǒng)時，考慮選用PLC控制取代接觸器控制。本文重點(diǎn)分析了基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成，并詳細(xì)敘述了在以PLC為核心的基礎(chǔ)上，對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行綜合控制的軟、硬件的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)利用步進(jìn)電動機(jī)單位脈沖所具有的步進(jìn)距離不變的特點(diǎn)，對其采用開環(huán)點(diǎn)位控制。因此可將整個運(yùn)動視為折線運(yùn)動，每一個動作可視為運(yùn)動程序相同、特征參數(shù)各異的點(diǎn)位相對運(yùn)動。其以起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過脈沖計數(shù)得到目的點(diǎn)的位置，手動操作機(jī)械手從參考點(diǎn)運(yùn)動到目的點(diǎn)后，保存目的點(diǎn)位的特征參數(shù)，并統(tǒng)一進(jìn)行列表管理。從而實(shí)現(xiàn)手動模式下運(yùn)用關(guān)鍵點(diǎn)位輸入及自動模式查表方式的“仿形”動作。關(guān)鍵字：可編程控制器，機(jī)械手，定位控制AbstractWith the Programmable Logic Controller the continuous development of applied technology, PLC on the application of growing, making today39。s engineering and technical personnel in the design of electrical control system, consider replacing optional PLC control access control. The paper analyzed the PLCbased control system Manipulator the position, and described in detail in the PLC as the core on the basis of the Stepping Motor control of the integrated software and hardware of the method. The system used by the Stepping Motor unit pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using openloop control. So the whole movement could be seen as broken line movement, every action can be considered the same as sports, characteristics of different parameters of the point of relative movement. To its starting point as a reference point, through the pulse by counting purposes at the location, manually operated mechanical hand movement from the point of reference points to the purpose, the purpose of preserving points of the parameters, and a unified list management. To achieve manual mode use of the key points of import and automatic mode lookup table means copying moves.Keyword: Programmable Logic Controller, Manipulator, Positioning Control目 錄第1章 前 言 1 研究的目的和意義 1 傳統(tǒng)機(jī)械手 1 現(xiàn)代機(jī)械手 1 研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢： 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 2 發(fā)展趨勢 3 主要研究內(nèi)容，需要解決的關(guān)鍵問題和思路 3 概要 3 硬件選擇 3 控制要求 4 輸入/輸出設(shè)備 4 PLC選擇 4 I/O點(diǎn)數(shù)分配 4 PLC程序設(shè)計 4 研究對象特點(diǎn) 4第2章 硬件設(shè)計 5 機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu) 5 夾緊機(jī)構(gòu)——手爪 5 結(jié)構(gòu) 5 機(jī)械手軀干 6 組成 6 傳動定位機(jī)構(gòu) 6 傳動系統(tǒng) 8 傳動方式 8 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器 8 輔助系統(tǒng) 16 原點(diǎn)定位及超程保護(hù) 16 操作臺 16第3章 軟件設(shè)計 18 工作流程圖 18 PLC選擇及I/O口分配 18 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 18 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 19 CPU的速度 19 PLC模塊的選擇 20 PLC品牌選擇 20 PLC系列選擇 21 輸出方式 23 I/O點(diǎn)數(shù) 24 I/O口分配原則 24 I/O口分配論證 25 程序設(shè)計 30 存儲區(qū)域分配 30 程序指令 32 初始化及報警程序 41 回原點(diǎn)程序 43 手動程序 45 自動程序 49第4章 后 記 53 研究價值 53 特色 53 續(xù)改進(jìn)方向 53參考文獻(xiàn) 54致 謝 55附 錄 56文獻(xiàn)綜述 57第1章 前 言 研究的目的和意義 傳統(tǒng)機(jī)械手伴隨著工業(yè)自動化發(fā)展的腳步，機(jī)械手憑借其定位精度高、工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)靈活多樣、可精確復(fù)現(xiàn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域。它的運(yùn)用標(biāo)志著制造業(yè)向自動化、無人化、節(jié)拍化、智能化的邁進(jìn)。就傳統(tǒng)繼電控制的機(jī)械手而言，因其控制裝置落后、接線復(fù)雜、易受干擾、可靠性差、維修困難等劣勢，逐步退出了歷史舞臺。 現(xiàn)代機(jī)械手可編程控制器因其諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械手控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破骱喎QPLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。其特點(diǎn)特點(diǎn)如下：1） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。就PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 2） 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展至今，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加之PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 5） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。 研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)外現(xiàn)狀1） 應(yīng)用廣泛性。機(jī)械手作為一種按人類意識進(jìn)行簡單替代人手操作的工具，被廣泛應(yīng)用于輕、重工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、科研等高新技術(shù)領(lǐng)域，從事目標(biāo)搬移（如：搬移機(jī)械手、選擇夾持機(jī)械手、運(yùn)輸機(jī)械手、挖掘機(jī)等）、精確定位（醫(yī)療機(jī)械手輔助手術(shù)、電子元器件機(jī)插設(shè)備、打印設(shè)備、數(shù)控加工中心等）、模擬（殘疾人假肢）等工作。2） 結(jié)構(gòu)多樣性。機(jī)械手因其模擬人類手部的工作模式而命名，并非其形狀像手。在應(yīng)用的各領(lǐng)域、各工作層面中，機(jī)械手的形狀各異，不受到任何標(biāo)準(zhǔn)形狀的制約，實(shí)用、抽象的結(jié)構(gòu)體，發(fā)揮著其獨(dú)有的高效作用。3） 智能性。借助傳感器反饋系統(tǒng)，將機(jī)械手工作時的動態(tài)信息，及時的反饋回中央處理單元，進(jìn)行動作的實(shí)時控制。即使被操作目標(biāo)的表面形狀和位置存在差異，機(jī)械手都能借助檢測反饋信息，自動的判斷夾持位置（定位位置），智能的把目標(biāo)送入下一工作環(huán)節(jié)。生產(chǎn)車間中，運(yùn)用該機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)，構(gòu)建無人車間。 發(fā)展趨勢1） 各種多用途機(jī)械手。適用于抓取各種物件，適合于各種不同用途，具有各種新功能。如汽車工業(yè)中的上下料、裝配、噴涂以及各種功能的實(shí)現(xiàn)。2） 具有熟練技術(shù)工人的機(jī)能。如開發(fā)雙臂多關(guān)節(jié)機(jī)械手，像熟練技術(shù)工人那樣進(jìn)行各種裝配、檢修、焊接、噴涂等工作，能搬運(yùn)液晶玻璃、半導(dǎo)體器件，并能和計算機(jī)連接，通過仿真軟件進(jìn)行各種熟練技術(shù)工人的工作。完美的人機(jī)界面，完備的通信功能更好適應(yīng)各種工業(yè)的控制場合。3） 實(shí)現(xiàn)智能化，能進(jìn)行多品種少數(shù)量的柔性生產(chǎn)，組成各種形式的制造系統(tǒng)。開發(fā)各種帶視覺、聽覺、觸覺的新型傳感器，能夠分析、判斷、遙控的智能化機(jī)器手，為未來低成本、高精度、高效率、高自動化的制造系統(tǒng)做準(zhǔn)備。4） 提高機(jī)器手工作定位精度。通過安裝視覺傳感器，實(shí)時控制系統(tǒng)等措施，使機(jī)械手運(yùn)動環(huán)節(jié)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時位置反饋，提高機(jī)械手工作定位精度。 主要研究內(nèi)容，需要解決的關(guān)鍵問題和思路 概要任務(wù)：實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在兩個工作臺間代替工人進(jìn)行單調(diào)持久地搬移工作。環(huán)境：高溫和危險的作業(yè)區(qū)，可變換生產(chǎn)品種的中、小批量柔性自動化生產(chǎn)線。要求：PLC控制，預(yù)置工作程序，動作靈活，可根據(jù)工件的變化隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。 硬件選擇1） 動力源——步進(jìn)電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動設(shè)備。機(jī)械手夾持部位采用電磁控制。各元件應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場工作環(huán)境進(jìn)行校核設(shè)計，本文中所選設(shè)備僅作示范性選擇，未進(jìn)行校核，不適用于具體設(shè)備制造，不代表最終機(jī)械手硬件。2） 傳動機(jī)構(gòu)——機(jī)械手臂采用滾珠絲杠螺母傳動。3） 減速機(jī)構(gòu)——本文不設(shè)計減速機(jī)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中若動力不足，可另行增加。同時為保證機(jī)械手的有足夠的定位精度，應(yīng)保證減速器具有滿足使用要求的傳動精度。4） 超程保護(hù)——設(shè)備運(yùn)行過程中未能豁免發(fā)生控制程序或電路故障，造成在極限位置仍繼續(xù)發(fā)出前行信號，燒毀步進(jìn)電機(jī)或其驅(qū)動設(shè)備。結(jié)構(gòu)中在極限位置采用行程開關(guān)進(jìn)行超程保護(hù)，各極限位置保留了一定工作區(qū)域，不作為工作行程。5） 操作臺布置——盡力人性化處理，顯示實(shí)時工作狀態(tài)及故障報警。 控制要求1） 定位精確性——步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器作為動力驅(qū)動設(shè)備，采用開環(huán)點(diǎn)位控制，滿足定位要求。2） 路徑無干擾性——無干涉，無安全隱患?？梢栽O(shè)定中間點(diǎn)位避讓繞行。3） 故障報警系統(tǒng)——具有故障位指示功能。 輸入/輸出設(shè)備輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報警及指示裝置。輸出：指示燈、二極管、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動設(shè)備、電磁機(jī)械手。 PLC選擇保證設(shè)計所需的指令、I/O點(diǎn)數(shù)、電壓及輸出方式的要求，選擇質(zhì)優(yōu)、價廉、廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品以降低總設(shè)計成本。 I/O點(diǎn)數(shù)分配合理選用滿足設(shè)備要求點(diǎn)數(shù)的PLC，減少不必要的浪費(fèi)。優(yōu)先分配特殊I/O點(diǎn)，注意相關(guān)指定輸入輸出端，歸類分布。 PLC程序設(shè)計1） 移植性——制定參數(shù)存儲區(qū)域，存儲點(diǎn)位控制機(jī)械手的關(guān)鍵點(diǎn)位置，僅一次手動