基于plc的机械手自动化控制系统实现方法研究

基于plc的机械手自动化控制系统实现方法研究内容摘要：

仅 一次手动操作，即能 完成 自动程序的 点位编程 ，降低对操作者的 专业 要求，实现远程、高柔性工件搬移。 2） 继承性 —— 精炼的程序段， 注明详细 程序说明，对后期的维护和二次开发提供基础。 研究对象特点 本设计的应用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。 该设备可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安全事故。 远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作 的 危险环境（如：高温、放射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境） 下较普通机械手（如：行程开关定位顺序控制） 有明显的优势。 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 5 页 第 2章 硬件设计 机械手夹持结构 夹紧机构 —— 手 爪 机械手手爪是用来抓取工件的部件。 其构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。 手指数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得较多。 可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作。 手爪抓 取 工件时 应具有 迅速 性 、灵活 性 、准确 性 和可靠 性。 设计过程中应 根据需要对机械手 的 运行速度、加速度、夹持物体重量、惯性 和冲击力、开口尺寸进行校核 ，且 能够自锁 ，防止断电 或设备故障 造成被抓物掉落。 结构 假定被夹持工件 为有凹槽回转体，且自重不超过机械手允许安全负载，作以下结构设计 ①。 图 机械手手爪示意图 ① 此方案未进行具体参数校核，结构 仅适用于部分工作环境。 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 6 页 工作 理论 ： 杠杆原理 、胡克定律 及安培定律。 工作方式：机械手的夹紧与放松由电磁线圈控制。 若 线圈得电， 手臂端产生磁力矩，当磁力矩大于弹簧被压缩所产生的力矩时，手臂吸合，手爪张开 ； 若线圈失电，手臂端无 磁力矩，机械 手手爪将在弹簧预压缩力所产生的力矩作用下，保持夹紧状态 ， 实现自锁 功能， 避免因 偶然断电导致 被抓物掉落。 特点：最小夹持半径可调，设定夹持点半径 ， 可减小 夹紧力 对夹持物 表面的破坏。 由于夹紧的为钢性工件，为了提高安全性能，防止损坏工件，我们可以在夹紧部分加上一层橡胶，这样可以通过增大工件和手指之间的摩擦系数来增加安全性．通过橡胶的弹性变形来缓冲对工件的冲击，可以减轻乃至消除对工件的损坏。 机械手躯干 组成 机械手躯干包括立柱、机座、手臂及手腕四部分。 立柱 是 支撑手臂带动它升降、摆动和移动的机构，立柱与机座相联可固定 在地面上、机床设备上、或者悬挂在横梁上，可固定在行走机座上。 本设计中机座为落地固定式机座。 机座是支撑机械手全部重量的构建，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作方便和造型美观。 手臂是机械手的主要部分，它支持手腕、手指和工件使他们运动的机构。 手臂应承载能力大、刚性好、自重轻、灵活 、位置精度高、通用性强等特点。 主要结构有伸缩式和关节式，本文优选伸缩式。 传动定位机构 1） 手臂直线运动的结构 手臂直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置组成。 文中选用步进电机作为动力，故选用丝杠螺母机构或齿轮齿条机构。 现就两 者作以下分析：  丝杠螺母机构：位移较准确、降速比大，运平稳、无噪音、易自锁，但高精度的丝杠制造比较困难，传动效率低。 矩形、梯形螺纹结构，因传动力大，应用广泛。 滚珠丝杆效率高，但成本高。  齿轮齿条机构：传动效率高，速度快、无自锁。 一般用于机械手的传动机构，不作为定位机构。 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 7 页 为满足自锁要求，优先选用丝杠螺母机构。 2） 手臂回转机构 由于采用步进电机作为驱动元件，回转机构相对简单，成本相对较低。 可直接采用齿轮减速以实现回转。 图 机械手机构图 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 8 页 传动系统 传动方式 电气传动使利用电动机直接驱动执行机构，以获得机械手的各种运动。 采用步进电机驱动，机械手的位移和运动速度，可由电控系统发出脉冲信号数量及脉冲信号频率来控制。 步进电机能够达到比较高的重复定位精度。 步进电机及其驱动器 步进电动机 (stepping motor)是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 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。 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 ，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。 机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。 螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工 作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。 磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式 3 种形式。 永磁式步进电动机由四相绕组组成。 A 相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向。 A 相断电、 B 相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。 永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。 缺点是起动频率和运行频率较低。 反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起 磁路磁阻的变化产生转矩。 这种步进电动机步矩角可做到 1176。 ～ 15176。 ，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。 永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。 是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。 步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 9 页 好配合。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。 而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负 载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。 在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。 一般地说最大静力矩 maxMj 大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到 设备 所需的脉冲当量。 在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。 但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。 精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负 载惯量和 设备 要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算 ： 1） 计算齿轮的减速比 ， 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比 i 计算如下 ： 360Si  （式 ） 式中 : φ 步进电机的步距角（ o/脉冲） S 丝杆螺距（ mm) Δ(mm/脉冲） 2） 计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 tJ。  221 221 sgWJJiJJ St （ 式 ） 式中 ： tJ 折算至电机轴上的惯量 ( 2scmKg  ) 1J 、 2J 齿轮惯量 ( 2scmKg  ) sJ 丝杆惯量 ( 2scmKg  ) W工作台重量（ N） S 丝杆螺距（ cm） 3） 计算电机输出的总力矩 M tfa MMMM  （式 ） 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 10 页    T nJJM tma （式 ） 式中 ： aM 电 机启动加速力矩（ mN ) mJ 、 tJ 电机自身惯量与负载惯量 ( 2scmKg  ) n电机所需达到的转速（ r/min） T电机升速时间（ s） 2102  isWuM f  （ 式 ） 式中 ： fM 导轨摩擦折算至电机的转矩 （ mN ) u摩擦系数 η传递效率 2102  ispM tt  （ 式 ） 式中 ： tM 切削力折算至电机力矩（ mN ) tp 最大切削力（ N） 4） 负载起动频率估算。 数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 ： 21011mtitfqqJJMMMff （ 式 ） 式中 ： qf 带载起动频率（ Hz） 0qf 空载起动频率 （ Hz） iM 起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（ mN ) 5） 若负载参数无法精确确定 ， 则可按021qq ff 进行估算。 运行的最高频率与升速时 间的计算。 由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 6） 负载力矩和最大静力矩 maxM。 负载力矩可按 （ 式 ）和 （ 式 ）计算，电贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 11 页 机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于 fM 与 tM 之和，并留有余量。 一般来说， fM 与 tM 之 和应小于（ ～ ) maxM . 步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。 在电机选型过程中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩 折T ，下面就几中常见的机械传动方式介绍折算扭矩 折T 的计算过程。 丝杠螺母传动 ：   bTFtiT 21折 （ mN ） （ 式 ） mgFF  0 （ N） （ 式 ）  42HS003 两相混合式步进电机 ① 技术指标： 工作环境： 10176。 C +55176。 C（温度） 绝缘电阻： 500V DC 100M Min 轴向间隙： 径向跳动： Max 温 升： 75176。 C Max 绝缘强度： B 图 机械手步进电动机 表 42HS003 步进电机 电气技术数据 电机型号 相数 步距角 相电流 驱动 电压 最大 静转矩 相电阻 相电感 重量 配套驱动器 17HS001 2 176。 A DC24 V Nm Ω mH kg ST2HB02X ① 数据来源于北京 张前苏电子科技有限 公司 地址： 北京市海淀区清河永泰园 13 楼 309 网 站 : 电话： 01061802338 贵州大学本科毕业论文 (设计 ) 第 12 页 图 步进电机安装尺寸（毫米） 图 步进电机接线图 表 步进电动机力矩测试 力矩测试数据 配套驱动器 ST2HB02X 电流 电压 DC 28V 4 细分 转速。