【正文】 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)專 業(yè)： 電氣技術(shù)教育 班級(jí)學(xué)號(hào)： 電氣0711 27 學(xué)生姓名： 徐飛 指導(dǎo)教師： 田庫 副教授 二〇一二年六月 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于PLC控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)DesignofMovementofManipulatorBased on PLC 專業(yè)班級(jí)：電氣0711班學(xué)生姓名：徐飛指導(dǎo)教師：田庫 副教授學(xué) 院：自動(dòng)化與電氣工程2012年 6月摘 要本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為機(jī)械手，是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，屬于工業(yè)機(jī)器人中的一種。機(jī)器人不僅有較高的工作精度，極大地提高了生產(chǎn)效率，還能根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。該機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的，PLC與位置控制模塊向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖從而控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。位置控制模塊是一種擴(kuò)展的智能單元，能獨(dú)立發(fā)出脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作，并提供了多種控制模式供用戶選擇。文中介紹了搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，詳細(xì)論述了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的過程以及PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的方式。采用RS232總線與其它PLC組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，完成了對(duì)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的同時(shí)控制，可以達(dá)到較高控制的精度，實(shí)現(xiàn)了位置控制的目的。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)軌跡；PLC；步進(jìn)電機(jī)ABSTRACTControl object of the present design is manipulator which is an articulated robot with six degrees of freedom belonging to an industrial robot. The robot not only has higher accuracy, which greatly improves production efficiency, but also makes an appropriate adjustment depending on the environment, there is a strong adaptability. Joint movement of the manipulator is controlled by the stepper motor, PLC and position control module send pulses to the stepper motor to control the stepper motor action. Position control module is an extension of the intelligent unit, which can send pulses to control the stepper motor operation, and provides a variety of control modes for the user to choose.This paper introduces the design process of the handling manipulator system, discusses the robot trajectory planning process in detail as well as PLC and position control module of the stepper motor in a controlled manner. The RS232 bus with other PLC forms an industrial control network, pleted the control on the stepper motor at the same time, which can achieve a higher control accuracy to achieve the purpose of the position control.Key Words：Manipulator；Motion trajectory；PLC；Stepper motor目 錄1緒論 1 1 32機(jī)械手系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4 4 5 6 PLC型號(hào)的選擇 6 8 11 11 12 143軌跡規(guī)劃與方案選擇 17 17 17 17 17 18 20 244 PLC控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡軟件設(shè)計(jì)與分析 25 25 I/O分配 26 28結(jié) 論 38參考文獻(xiàn) 39致 謝 4041天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是苦力，是一種人造的勞動(dòng)力,而實(shí)際上的機(jī)器人與人很少有相似之處?！皺C(jī)器人”這一詞出現(xiàn)的較晚，但這一概念在人們想象中早已出現(xiàn)。在我國東漢（公元1～2世紀(jì)）科學(xué)家張衡發(fā)明的指南車可以說是最早的機(jī)器人雛形。18世紀(jì)瑞士鐘表匠德羅斯父子制造了機(jī)器人玩具，由彈簧驅(qū)動(dòng)，用凸輪控制，可以寫字，彈風(fēng)琴。1893年加拿大人摩爾設(shè)計(jì)了用蒸汽驅(qū)動(dòng)的能行走的機(jī)器人。[1]真正的現(xiàn)代機(jī)器人是從二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的。 1949年，美國需要研制新型的軍用飛機(jī)，這種飛機(jī)的零件要用機(jī)械加工出來。這就發(fā)起了對(duì)數(shù)控銑床的研制。數(shù)控銑床于1953年在麻省理工學(xué)院（MIT）輻射實(shí)驗(yàn)室被研制出來。60年代，George C. Devol 研制出一種裝置,稱之為可編程序關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置,他將遙控操作器的連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來，預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,并將這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器內(nèi),任務(wù)執(zhí)行過程中,機(jī)器人可以再現(xiàn)這些位置。隨著電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制理論的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要及空間技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展起來。進(jìn)入70年代，機(jī)器人在工業(yè)中逐步推廣應(yīng)用，這又促使了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。1979年Unimation公司推出PUMA系列工業(yè)機(jī)器人。同年，日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARS型機(jī)器人，到了1980年全世界約有2萬余臺(tái)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。美國是最先研制機(jī)器人的地方，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前美國機(jī)器人制造廠家多達(dá)幾百上千家。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了巨大作用。據(jù)資料表明：僅2002年，美國共裝備機(jī)器人11100臺(tái)，截止至2002年底，美國共裝備各類機(jī)器人104700臺(tái)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，日本工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展和勞動(dòng)力的嚴(yán)重短缺，為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展帶來了有利的客觀條件，工業(yè)機(jī)器人很快受到日本政府和工業(yè)界的廣泛重視。在日本各界的大力扶持下，20世紀(jì)70年代成為日本工業(yè)機(jī)器人迅速發(fā)展時(shí)期，超過美國，成為當(dāng)今世界第一號(hào)“機(jī)器人王國”。據(jù)資料表明：僅2002年一年日本共裝備機(jī)器人28400臺(tái)，到2002年底，日本已裝備機(jī)器人達(dá)352800臺(tái)。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于工業(yè)，而是深入到軍事、航天、醫(yī)療、服務(wù)等各領(lǐng)域。（1）機(jī)器人在核領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]在核能設(shè)施中存在有對(duì)人類傷害極大的放射性物體，因此人們很早就考慮到使用遠(yuǎn)距離操作與及自動(dòng)化（機(jī)器人化）。機(jī)器人能代替人類自動(dòng)地遠(yuǎn)距離處理長(zhǎng)尺寸、大重量、大體積的物體，能進(jìn)行復(fù)雜作業(yè)，能在大范圍內(nèi)進(jìn)行多種檢測(cè)處監(jiān)視。（2）點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人（3）噴漆機(jī)器人（4）柔性制造系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人（5）水下機(jī)器人1）德國1100m水下機(jī)器人主要用于石油與天然氣的開發(fā)。2）英國HYBALL水下機(jī)器人。HYBALL 水下機(jī)器人可用于軍事上的搜索、排障、排雷等。還可用海洋考察、勘探、石油開發(fā)、船底檢查清理等方面。3）日本萬米水下機(jī)器人。4）中國無纜水下機(jī)器人。 （6）空間機(jī)器人空間機(jī)器人是代替宇航員進(jìn)行空間科學(xué)研究的有力工具，并伴隨空間技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展?？臻g機(jī)器人有以下幾種。1）空間站機(jī)器人 這類機(jī)器人包括空間站大型機(jī)械臂、空間站艙外自由移動(dòng)機(jī)器人和空間站艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人。2）行星探測(cè)機(jī)器人。3）自由飛行空間機(jī)器人。（7）軍用機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于軍事上。如自主地面戰(zhàn)車、地面軍用遙控機(jī)器人、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人、掃雷清障機(jī)器人、處理爆炸物機(jī)器人、機(jī)器人衛(wèi)士、昆蟲機(jī)器人、消防機(jī)器人、無人偵察機(jī)等 。機(jī)械手是一種機(jī)械裝置，由一系列彼此之間裝有關(guān)節(jié)或可相對(duì)滑動(dòng)的段節(jié)構(gòu)成，為了抓握和移動(dòng)物體，一般有幾個(gè)自由度。手工操縱機(jī)械手可能代替人在放射性的，極熱或極冷、有毒的環(huán)境下，以及在真空或高壓有害條件下工作。在工業(yè)中常用于弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、搬運(yùn)、夾持物品等等。工業(yè)機(jī)器人的主體主要是一只類似于人上肢功能的關(guān)節(jié)型機(jī)械手,其基本結(jié)構(gòu)一般由人機(jī)接口、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械手部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖11所示。[3]圖11 工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)今高性能的通用型工業(yè)機(jī)器人一般采用關(guān)節(jié)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)中獨(dú)立安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的功率放大電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作。工業(yè)機(jī)器人通常具有示教再現(xiàn)和位置控制兩種方式。示教再現(xiàn)控制就是操作人員通過示教裝置把作業(yè)程序內(nèi)容編制成程序，輸入到記憶裝置中，在外部給出啟動(dòng)命令后，機(jī)器人從記憶裝置中讀出信息并送到控制裝置，發(fā)出控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人位置控制又分為點(diǎn)位控制和連續(xù)路徑控制。點(diǎn)位控制這種方式中控制機(jī)器人操作器的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，而不關(guān)心這兩點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)軌跡。連續(xù)路徑控制這種方式不僅要求機(jī)器人以一定的精度達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，而且對(duì)移動(dòng)軌跡也有一定精度要求。在本次設(shè)計(jì)中所控制的機(jī)器人為六自由度的機(jī)械手。機(jī)械手有五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別由步進(jìn)電機(jī)控制，剩余一個(gè)自由度由氣動(dòng)電磁閥控制。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度主要由步進(jìn)電機(jī)控制精度與機(jī)械精度來決定。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制主要由PLC與位置控制模塊來實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能夠完成對(duì)工件的送取過程，即機(jī)械手移動(dòng)到輸送帶旁，從輸送帶一端夾起工件，并將工件放于指定位置。此期間機(jī)械手搬運(yùn)工件運(yùn)動(dòng)的軌跡可以人為設(shè)定，機(jī)械手根據(jù)所設(shè)定的軌跡來完成運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手要達(dá)到此動(dòng)作要求需要機(jī)械手中六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)共同協(xié)作完成。在本次設(shè)計(jì)中的機(jī)械手由步進(jìn)電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)的控制又是由PLC與位置控制模塊來控制。根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制要求通過PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)來達(dá)到控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)目的。在本次設(shè)計(jì)中就涉及到對(duì)于PLC與步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制問題。如何選用合適的PLC與位置控制模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。2機(jī)械手系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)通常機(jī)械手的結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由桿件與關(guān)節(jié)組成，從功能上可分為手部、腕部、臂部、腰部與基座。1）手部手部又稱末端執(zhí)行器，是機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，本次設(shè)計(jì)機(jī)械手有兩個(gè)自由度，夾手由5軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)360176。旋轉(zhuǎn)，并通過氣動(dòng)電磁閥控制夾手夾緊/放松。2）腕部腕部與手部相連，通常有3個(gè)自由度，主要是帶動(dòng)手部完成預(yù)定姿態(tài)。本次設(shè)計(jì)中機(jī)械手腕部有兩個(gè)自由度，主要由3軸、4軸兩部分組成(見圖21)。3）臂部臂部是用以連接腰部與腕部的部件。通常由兩個(gè)連桿組成，用以帶動(dòng)腕部作平面運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部為2軸（見圖21）。4）腰部腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加上臂部的平面運(yùn)動(dòng)就能帶動(dòng)腕部作空間運(yùn)動(dòng)。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性對(duì)機(jī)器人定位精度有決定性的影響。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手腰部為1軸。（見圖21）。5）基座基座是整個(gè)機(jī)器人的支持部分，因此該部件具有足夠的剛性與穩(wěn)定性。（2）驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部份，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。驅(qū)動(dòng)裝置采用的是步進(jìn)電機(jī)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是同步帶輪傳動(dòng),帶輪傳動(dòng)在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)帶輪會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象,在一定基礎(chǔ)上可以保護(hù)電機(jī),使電機(jī)不易損壞。（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中采用兩臺(tái)PLC通過RS232進(jìn)行串行通信對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,并在