【正文】 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 39 II 致 謝 ......................................................................................................................... 40 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 機(jī)器人 概述 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 詞 的本意是苦力，是一種人造的勞動力 ,而實(shí)際上的機(jī)器人與人很少 有 相似之處。 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)動軌跡規(guī)劃的過程 以及 PLC 與位置控制模塊對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制 的方式 。該 機(jī)械手 各關(guān)節(jié)運(yùn)動是通過步進(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)動作。 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 班級學(xué)號： 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 設(shè)計(jì) Design of Movement of Manipulator Based on PLC 專業(yè)班級 ：電氣 0711 班 學(xué)生姓 名：徐飛 指導(dǎo)教師： 田庫 副教授 學(xué) 院： 自動化與電氣工程 2020 年 6 月 摘 要 本 設(shè)計(jì)的 控制對象為 機(jī)械手 ，是 具有六個自由度的關(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。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 。采用 RS232 總線與其它 PLC 組成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，完成了 對多臺步進(jìn)電機(jī)的 同時 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?！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)。 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，用凸輪控制，可以寫字， 彈風(fēng)琴。[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。這就發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。 60 年代， Gee 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)械手動作一經(jīng)編 程輸入后 ,機(jī)械手就可離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行 .這種機(jī)器人也可接受示教而完成各種簡單任務(wù) .示教過程中操作者用手帶動機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個位置 ,并將這些位置序列記錄在數(shù)字存儲器內(nèi) ,任務(wù)執(zhí)行過程中 ,機(jī)器人可以再現(xiàn)這些位置。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。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 萬余臺機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了巨大作用。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。 據(jù)資料表明： 僅 2020 年一年日本共裝備機(jī)器人 28400 臺，到 2020年底， 日本已裝備機(jī)器人達(dá) 352800 臺。 （ 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)天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 距離操作與及自動化（機(jī)器人化）。 （ 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) 。 HYBALL 水下機(jī)器人可用于軍事上的搜索、排障、排雷等。 3） 日本萬米水下機(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。 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 艙外自由移動機(jī)器人和空間站艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人 。 3） 自由飛行空間機(jī)器人 。如自主地面戰(zhàn)車、地面軍用遙控機(jī)器人、戰(zhàn)場機(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 。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。 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)動系統(tǒng)與機(jī)械手 部分組成。 [3] 人 機(jī) 接 口 控 制 裝 置 驅(qū) 動 裝 置機(jī) 械 手 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)，每個關(guān)節(jié)中獨(dú)立安裝天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 驅(qū)動電機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對驅(qū)動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。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，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制機(jī)械運(yùn)動。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)動軌跡。 研究內(nèi)容 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)械手的運(yùn)動精度主要由步進(jìn)電機(jī)控 制精度 與機(jī)械精度來 決定。 本次設(shè)計(jì)的 機(jī)械手 應(yīng) 能夠完成對工件的送取過程， 即 機(jī)械手移動到輸送帶旁，從輸送帶一端夾起工件，并將工件放于指定位置。機(jī)械手要達(dá)到此 動 作要求需要機(jī)械手中六 個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)共同協(xié)作完成。 根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動控制要求通過 PLC與位置控制模塊對步進(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) 動目的。如何選用合適的 PLC 與位置控制模塊對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 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)械手有兩個自由度，夾手由 5 軸步進(jìn)電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn) 360176。 2） 腕部 腕部與手部相連，通常有 3 個自由度，主要是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)。 3） 臂部 臂部是用以連接腰部與腕部的部件。本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的臂部為 2 軸（見圖 21）。腰部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動精度和平穩(wěn)性對機(jī)器人定位精度有決定性的影響。（見圖 21）。 （ 2） 驅(qū)動 — 傳動裝置 驅(qū)動 — 傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩部份，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。 （ 3） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中采用兩臺 PLC通過 RS232進(jìn)行串行通信對三臺步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制 ,并在 PLC 上連接位置控制模塊 ,通過位置控制模塊對兩臺步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。在機(jī)械手的手部用氣動 電磁閥 來控制夾手的夾緊與放松。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 243 11 軸 22軸 33軸 44軸 5夾手 6基座 圖 21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手的保護(hù)裝置 機(jī)械手在運(yùn)動過程中 每個運(yùn)動關(guān)節(jié)都存在著運(yùn)動限位，每個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍都有機(jī)械 限位與軟件限位兩種，機(jī)械限位 一般由機(jī)械手硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，機(jī)械手在制作的過程中總存在著硬件的極限位置限制了機(jī)械手的運(yùn)動范圍 ，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動到極限位置便停止機(jī)械手的運(yùn)動 。 在此次的設(shè)計(jì)中機(jī)械手只采用了軟件限位與硬件保護(hù)。 零點(diǎn)位置是機(jī)械手能按軌跡準(zhǔn)確運(yùn)動的重要位置。機(jī)械手在完成搬運(yùn)過程后都要回到零點(diǎn)，為下一次搬運(yùn)做好準(zhǔn)備。 在搬運(yùn)物品的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)都應(yīng)安裝檢測物品的傳感器，起始位置上若傳感器檢測出有需要搬運(yùn)的物品時就能發(fā)出信號控制 PLC，通過程序控制機(jī)械手搬運(yùn)物品。終止端的傳感器是否發(fā)出檢測信號就能檢測出機(jī)械手搬運(yùn)物品是否天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 精確，若機(jī)械手不能準(zhǔn)確的物品放在終止點(diǎn)的位置上就不能控制機(jī)械手執(zhí)行下一步的搬運(yùn)。選用傳感器的型號為CX24，該型號的傳感器為擴(kuò)散反射型短距離傳感器，有較強(qiáng)的抗干擾能力，能檢測出透明、半透明、不透明物品，檢測距離只有 300mm,如流水線上物品的檢測。 CX24 不附帶安裝的支架，在安裝的過程中可以將傳感器固定在搬運(yùn)物品 起始步與 終止點(diǎn)位置。 機(jī)械手到達(dá)起始位置 或 終止位置便要控制夾手開∕合來夾起∕下放物品。氣動電磁 閥 是二位五通電磁 閥 ，操作壓力為 ,反應(yīng)時間小于 30ms,最高操作 頻率為 5 次∕秒。由于該機(jī)械手屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)型機(jī)械手，因此在該型號氣動電磁 閥 基本上能滿足控制要求。 PLC 型號的選擇 一、 PLC 控制的可靠性 工業(yè)生產(chǎn)一般要求控制設(shè)備具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠地工天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 作，對可靠性要求很高，絕大多數(shù)用戶也都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。 （ 1）硬件措施 對供電系統(tǒng)以及 I/O 線路采用了較多的濾波環(huán)節(jié)。 對微處理器所需的 +5V 電源，采用多級濾波并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動，它對過電壓、欠電阻均有 — 定的保護(hù)作用。 在 PLC 中，所有輸出模塊都受開門信號控制，而這個信號只有在規(guī)定的條件都滿足時才有效，以防止被控對象誤動作。當(dāng)故障查出在某一模塊上，只要及時更換，就大大縮小了尋找范圍，加快修復(fù)速度。 對于較低信噪比的模擬量 輸入信號 ,PLC 采用 A/D 模塊轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡x散的數(shù)字信號，將形成的數(shù)據(jù)時間序列存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，利用數(shù)據(jù)濾波程序?qū)Υ诉M(jìn)行處理，從而濾去噪音部分而獲得單純信號。 PLC 有比較完整的故障檢測系統(tǒng)，軟件能定期地檢測外界 環(huán)境，如掉電，強(qiáng)干擾信號等等，以便及時地進(jìn)行故障處理。這樣，一旦檢測到外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)故障前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的處理。這是用一般經(jīng)常執(zhí)行的程序，使硬件產(chǎn)生一些規(guī)定的信號，用這個信號來指示 CPU 處于正常狀態(tài)，萬一 CPU 發(fā)生故障，這個規(guī)定信號就不再出現(xiàn)，從而指示 CPU 的故障狀態(tài)。松下 FP 系列 PLC 有以下幾方面特點(diǎn)： [6] （ 1） 豐富的指令系統(tǒng) 在 FP 系列 PLC 中即使是小型機(jī)也具有近 200 條指令，除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制還可天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 進(jìn)行運(yùn)動控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與對步進(jìn)電機(jī)的控制。 （ 3） 大程序容量 FP 系列的用戶程序容量也較同類機(jī)型大，其小型機(jī)一般可達(dá) 3 千步左右，最多可達(dá) 5 千步，而大型機(jī)最高可達(dá) 60 千步。 （ 5） 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能 。并且在 PLC 最高層的管理網(wǎng)絡(luò)中采用了包含 TCP/IP 技術(shù)的 Ethemet 網(wǎng)，可通過它連接到計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上。因 此在選用 PLC 的型號時就應(yīng)在滿足機(jī)械手的硬件要求下完成的。本次設(shè)計(jì) 選擇 PLC 型號為 松下 FPΣ32?？蓪?shí)現(xiàn)全方位通信功能，使用工具口（ RS232C）通過它主機(jī)能夠與觸摸屏或電腦實(shí)現(xiàn)通信。安裝一個雙通道的 RS232C 型通訊卡，主 機(jī)就能通過 RS232 口實(shí)現(xiàn)與兩套外設(shè)的連接。提供梯形控制、返回原點(diǎn)、點(diǎn)動運(yùn)行等專用高級指令。 FPΣ 的控制單元最多可連接三塊 FP0的擴(kuò)展單元或 FP0 的智能單元。 [7] 位置控制模塊的選擇及其基本功能 在位置控制模塊中通過對控制字的控制可以選擇不同的加 /減速模式、方向控制與工作模式。操作者可以根據(jù)不同的控制要求來選擇不同的加/減速模式。但此控制方式 只有一 種終止速度 。但此控制方式 有多種終止速度，操作者可以根據(jù)需要編制程度以獲得多種速度。 （ 3） JOG Operation(JOG 操作 ) JOG 操作工作方式用戶只需設(shè)置控制字，起始速度、終止速度與加 /減速時間四個參數(shù)便可控制電機(jī)動作。此工作方式相當(dāng)于繼電控制中的 點(diǎn)動控制。此工作方式與 E point control 有類似之處即只能有一種終止速度，不同的是此工作方式在外部開關(guān)閉合后電機(jī)按 所 設(shè)置的參數(shù)加速到終止速度后并不執(zhí)行位置操作而是位置控制開始的