毕业设计--机械手模型基于plc的控制系统设计

毕业设计--机械手模型基于plc的控制系统设计内容摘要：

、升降、横移、俯仰等机构，以及用于 不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。 同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。 目前主要应用于机床、模锻压力 机的上下料以及焊、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。 如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。 执行机构包括手部、手臂和躯干。 手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。 机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。 手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。 可根据夾持对象的形状和大小配备多种形 状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。 本设计采用二指的构造。 手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。 为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。 总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。 其中以电气、气动用得最多，占 90％以上，液压、机械驱动用得较 少。 液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。 它利用液压缸、液压马达阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 9 加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链轮等实现回转运动。 液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置。 缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 一般采用 4～ 6 个大气压，个别达到 8～ 10 个大气压。 它的优点是气源方便，维护方便，成本低。 缺点是出力小，体积大，由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 本设计的手爪部分采用气压驱动。 电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。 通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。 驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力，出力比较大。 本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。 机械驱动只适用于动作固定的场合。 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低；缺点是不易调整。 机械手控制的要素包括工 作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。 机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占 90％以上。 控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。 对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。 第三节 机械手的发展趋势 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单 化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。 这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 10 止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。 我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。 随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作 平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 第三 章 控制系统硬件设计 对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、 PLC控制等。 但由于此明确指定采用 PLC 可编程控制器控制实现，所以，不用我们去考虑控制硬件方案，只是要对 PLC 进行比较选择。 第一节 PLC 的选型 对于 PLC 的选择，我们必须考虑多方面的因素。 例如输入、输出的最多点数；扫描速度；内存容 量；指令条数；功能模块等。 同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。 一 常用 PLC 介绍 PLC 发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。 ① 西门子 S7200 系列可编程控制器介绍： SIMATIC S7200 系列 PLC 是德国西门子（ Siemens） 公司生产的具有很高性能价格比的微型可编程控制器。 西门子是世界上最大的电气和电子公司之一。 西门子的中国业务是其亚太地区业务的主 要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。 S7200 作为西门子 SIMATIC PLC 家族中的最小成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直广泛服务于国内的各行各业。 由于它具有结构小巧，运行速度快，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 11 企业中得到了广泛的应用。 它 适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。 强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 在以下几方面均有 出色的表现：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。 应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等 S7200 系列 PLC 在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。 使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 S7200 产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用性在自动化产品中受到广泛的重视，相信此次发布的新产品一定能够满足部分用户的需求，同时在自动 化领域中获得更广泛的应用。 突出的特点： 可靠性高、操作简便； 丰富的内置集成功能； 强劲通讯能力； 丰富的扩展模块； 简单、易用的 Micro/WIN 编程软件。 S7200 丰富的种类 【 4】 ： CPU221：内置 10 个数字量 I/O 点，不可扩充； CPU222：内置 14 个数字量 I/O 点，可扩充到 78 路数字量 I/O 或 10 路模拟量I/O； CPU224：内置 24 个数字量 I/O 点，可扩充到 168 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O； CPU226：内置 40 个数字量 I/O 点，可扩充到 248 路数 字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O； 16 种扩展模块：数字量扩展模块，模拟量扩展模块、 PROFIBUSDP 扩展模块、ASI 接口模块。 强大的通讯能力： 点到点通讯方式（ PPI）； 阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 12 多点接口通讯方式（ MPI）； 自由通讯口方式（ Freeport）； PROFIBUSDP 网络通讯方式。 ② OMRON C200H 可编程控制器介绍： 图 欧姆龙 PLC 欧姆龙株式会社是全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商，掌握着世界领先的传感与控制核心技术。 自 1933 年创业 至今的七十余年中，通过不断创造新的社会需求，公司全球业务遍及 35 个国家和地区，拥有超过 27， 000 名员工；产品品种达几十万种，涉及工业自动化控制系统、电子元器件、社会公共系统以及健康医疗设备等广泛领域，在业内建立了响亮的品牌，占据着不可替代的地位。 欧姆龙与中国的渊源可以追溯到 30 年前。 公司创始人立石一真先生曾担任国贸促京都总局副会长，七十年代初作为经济界代表开始了与中国各界的交流与合作。 公司从 1980 年继电器的委托加工贸易开始不断发展， 1991 年在大连设立了第一家生产健康医疗设备的工厂 —— 欧姆龙（大连）有 限公司； 1994 年，作为第一家日本电子制造企业，被国家有关部门批准成立投资性公司 —— 欧姆龙（中国）有限公司； 经过 30 年的不懈努力，欧姆龙以高质量的产品和优质的服务，赢得了中国用户的信赖与好评。 先进的、小型化的可编程序控制器 .OMRON 的可编程序控制器更加小型化。 SYSMAC CPM1A 的大小仅相当于一个 PC 卡 (对于 10 点的机型来说 )，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。 它不仅具备了以往小型 PLC 所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。 可连接可编程终端，选 用通讯适配器以相应的上位 Link 或高速 NT Link 与 PT之间进行高速通讯。 有 10 点至 40 点多种 CPU 单元。 CPU 单元与扩展 I/O 并用，可完成 10 点到 100阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 13 点的输入输出要求。 并有 AC 和 DC 两种电源型号可选择。 汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有 2个模拟量设定。 充足的程序容量，具有 2048 字的用户程序存储器和 1024 字的数据存储器。 编程环境与 CQM1 及 SYSMAC A 等机种相同。 由于原有 SYSMAC 支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。 ③ 松下可编程控制器介绍 【 9】 ： 包括 FPO， FP1， FP2， FP3， FPe， FPX 等系列 图 松下 PLC FPX 特点：超高速处理，浮点数 PID 运算只有 32181。 s，基本指令只需 ，可快速扫描充裕的程序容量达到 32K 步，注释区域也可以保证； I/O 最多 300 点；通过8 位密码和禁止上传功能，有效保护程序：配备 USB 端口，可与计算机实现简单连接。 FPe（晶体管输出，继电器输出）特点：面板式安装型控制器，电源电压 24VDC， 程序容量 步，运算速 度 s。 FP FP FP10sh 系列（输出类型同上）：最多可控制 2048 点（使用远程 I/O），程序容量大 16K， 30K 步，可扩展到 120K 步， CUP 运行世界最快（ 1ms/20 步，快速起运 以下）。 FPO 系列（输出同上）：世界产品体积最小，扫描周期 1ms，选择点从 10 到 128点。 ④ 三菱 FX 系列可编程控制器介绍 【 10】 ： FX 系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型 PLC。 日本三菱电机公司研发的。 在 FX 中，除基本的指令表编程方式外， 还可以采用梯形阳泉职业技术学院 毕业设计说明书 14 土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。 在 FX 系列 PLC 中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了 PLC 的应用领域。 其 FX2N PLC 还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高 50kHz 的高速脉冲。 FX 系列 PLC 基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数据传送与比较，四则运算与逻辑运算、数据循环与移动等应用指令系统。 除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等 告诉处理指令，以及在 SFS 控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增加。 FX 系列 PLC 在特殊控制方面不但具备模拟量输入输出控制，而且具有定位控制几 PID 系统控制。 在通信方面，能够方便地与 PC 计算机链接实现数据交换与管理。 二 确定型号 FX1N－ 60MR 综上，对于被控对象，采用 PLC 系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的 PLC 主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的 PLC 主机及配置必须是功能较强的新一代PLC 机 型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的 PLC，则选 FX 系列，不选 F1 系列）。 同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。 还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。 在此，我选用三菱FX2N PL。