基于plc的机械手设计(编辑修改稿)

基于plc的机械手设计(编辑修改稿)内容摘要：

引言机械手的出现目的是为了减轻工人的劳动力，提高劳动生产率，以及代替劳动者在高温、高压、噪声、等对人体有危害的场合工作，随着工业生产机械化和自动化，越来越多的行业已经开始大规模的使用机械手了，如：焊接、搬运、装配等等。 再加上微电子技术在机械手中的应用，特别是计算机技术的融入，机械手的发展和应用水平也进一步的提高，在军事、海洋探测、航天、医疗、农业领域中得到了广泛的使用。 总而言之，机械手是提高劳动率，改善劳动条件，减轻劳动强度和实现工业自动化的一个重要手段，在国内外对其的应用和发展十分的重视。 可编程序控制器（PLC）是其中一个控制机械手能在工业环境下能够运行的工业控制装置。 由于其其编程简单，可在现场修改编程；通用性好，能扩展；实用性强，硬件配套齐全在工业领域中广泛应用[1]。 本次课题设计的机械手就是通过PLC来自动化控制机械手的运行，通过这次的设计来提高对PLC的相关知识了解，将所知道的PLC内容能应用到本次的课题当中，将理论能更好的应道实践当中。 机械手自20世纪60年代问世以来，经过多年的发展已成为制造业生产自动化中重要的机电设备。 在现代工业中，正式在使用的机械手很多属于第一代的机械手，这些机械手基本上采用点位控制系统，主要用于焊接、喷漆和搬运。 第二代机械手是安装有接触类传感器的程序控制机械手，能够根据外部环境的信息对控制程序进行校正[2]。 随着科学技术的不断发展，第三代机械手在第一、二代的基础上发展起来，它是能感知外部环境与对象，并具有对复杂信息能够处理，能对自己行为作出自主决策的智能化机械手，具有专家知识，语音功能和自学能力等人工智能[3]。 在新世纪的曙光下的人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境下的工作都由机器人代替人工，因此世界工业机械手的数目每年在递增。 随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在不同行业不断的开辟新用途。 机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并随电子技术的发展和科技的进步，该项技术将日益完善。 我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的大力支持下，通过“75”“85”科技攻关，目前国内生产了部分机器人关键元件，开发出点焊，装配，搬运等机械手。 但相较于国外的工业机械手技术我国还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步晚，应用领域窄，生产线系统技术低。 国外的工业机械手发展趋势：机械手性能不断提高而且价格不断下降；机械结构模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机控制方向发展；传感器在机械手上的应用【4】。 国内的发展状况：在一些方面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，掌握了自动化喷漆、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【5】。 2控制方案 本次设计的控制系统采用的是PLC控制机械手，相比于单片机虽然成本有所提高，但其输出带负载能力和抗干扰能力强、可靠性好、环境适应能力强。 在工业中所用到的机械手大多都在环境恶劣的地方代替工人做业，将PLC的优势完全的体现出来了，因此本次的控制方案采用PLC。 也许有人也会问为什么不用工控计算机来控制呢，它也有PLC的那些优点，而且功能更完备，但由于考虑到其成本太高，编程复杂，而PLC的那些功能足以控制机械手了，因此在对于机械手的控制上大多数都采用PLC控制，这也是本次采用PLC的原因。 下面是对PLC的介绍。 （PLC）的概述可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展起来的，它加入了微计算机技术后功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务。 PLC由硬件系统和软件系统两大部分组成的。 PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成【6】。 各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。 其结构简图如图1所示：外设I/O接口 输出部件存储器 EPROM 微处理器 运算器 控制器电源 输入部件I/O扩展接口 I/O扩展单元 受控元件输入信号外部设备 图2 1 PLC结构图PLC发展如此迅速是因为他具有一些其他控制系统（如DOS和通用计算机等）所不及的一些特点。 灵活、通用在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。 如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。 而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。 而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。 可靠性高、抗干扰能力强对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。 现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。 为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。 操作方便、维修容易PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。 对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。 工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。 功能强现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。 因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。 体积小、重量轻和易于实现机电一体化由于PLC采用了半导体集成电路。 因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。 且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备【7】。 现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是想大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。 网络化和通信能力强势PLC发展的一个重要方面，向下课将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。 随着自调整、步进电机、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。 3机械手控制系统硬件介绍本系统的硬件主要有三大部分组成：机械手本体、PLC控制单元、触摸屏组成。 机械手本体按功能分课分为二轴平移机构、旋转手臂机构、夹手、支架、限位开关等部件；按活动关节分为S轴、L轴、U轴、T轴、B轴等机构，其结构示意图如图21所示：图31 机械手示意图机械手的控制系统是安装在机械手上的步进电机、传感器、直流电机和驱动步进电机运行的步进电机驱动器等。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的【8】。 本次设计采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。 主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。 本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图22所示：图32 步进电机电气接线图 步进电机驱动器步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。 本次用到的型号为SH2H057。 驱动器部分参数如下表21。 PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图23所示。 步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。 驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电。 驱动器输入端为低电平有效。 PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，晶体管关断，使驱动器光耦截止。 另外若不采用驱动器，而采用PLC输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。 表31 接线信号描述信 号功 能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动OPTO光耦驱动电源ENA使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A电机A相B+电机B相B电机B相。