基于PLC的機械手設計與仿真--程磊

1、 電子課程設計報告題 目： 基于PLC 的機械手設計與仿真學生姓名： 程磊學生學號： 1214050202 年 級： 12級專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 2指導教師： 繆玉桂機械與電氣工程學院制2015年3月目 錄1、引言. 32、機械手的概述. 33、機械手的結構. 43.1傳動機構 . 43.2 機械手夾持器和機座的結構 . 64、PLC 及其應用 . 74.1 PLC 的定義 . . 74.2 PLC 的工作原理和特點 . . 75、設計方案. 115.1 PLC 的I/O口分布. 115.2 PLC 程序的調試 . . 125.3 PLC 的安裝與接線 . . 125.4 機械

2、手控制系統(tǒng)的外圍接線圖以及梯形圖 . 135.5 機械手實現(xiàn)過程 . 136、參考文獻. 15 附錄. 錯誤！未定義書簽。PLC 控制機械手學生：程磊指導老師：繆玉桂機械與電氣工程學院 電氣工程及其自動化專業(yè)1、引言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展, 自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中的重要支柱, 例如無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等生產(chǎn)源，已經(jīng)遍及很多地方。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工操作。除了這些，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)。所以一種新的技術也就隨

3、之而然誕生了，那就是工業(yè)機械手工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛，在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到國家工業(yè)部門的重視2、機械手的概述機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結 構形式，如夾持型、托持型和吸附型

4、等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的 升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp 等微控制芯片構成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。機械手通常是機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳

5、遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置，有些操作裝置需要由人直接操縱。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。

6、機械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS 和柔性制造單元FMC 中重要一環(huán)3、機械手的結構3.1傳動機構螺旋機構由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中的摩擦性質，螺旋機構可以分為滑動螺旋機構和滾動螺旋機構兩種類型。按用途

7、可以分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋三種類型。螺旋機構具有結構簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機構，稱為滑動螺旋機構?；瑒勇菪龣C構所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋?；瑒勇菪龣C構由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構的組成及運動方式，滑動螺旋機構又分為以下兩種。（1）由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉動并移動（如圖2所示），這種螺旋機構以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構。一般要求用較小的轉矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。（2）由螺母、螺桿和機架組成的滑動螺旋機構（如圖1所示），螺桿轉動，螺母移動，這種螺

8、旋機構以傳遞運動為主，故又稱為傳導螺旋機構。本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導螺旋機構。這種傳動形式結構緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。 圖 1 螺桿轉動，螺母移動 圖 2 螺母固定，螺桿轉動并移動螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機構，稱為滾動螺旋機構或滾珠絲杠。其機構特點是在螺桿和螺母之間設有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖3所示）。 圖 3 滾珠絲杠3.2 機械手夾持器和機座的結構機械手的機械夾

9、持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型?；剞D型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種?；剞D型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行

10、。 1-軸承 2-絲桿 3-電動機 4-減速器 5、6、7-齒輪 8-基座圖 3 機械手結構圖如圖4所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結構。這種結構有制造簡單、成本低、安裝調整方便等優(yōu)點。圖中電動機3經(jīng)減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅動絲桿2旋轉，從而驅動升降臺上下運動，整個機座安裝在基座8上。4、PLC 及其應用4.1 PLC的定義可編程序控制器，英文稱Programmable Controller ，簡稱PC 。但由于PC 容易和個人計算機（Personal Computer ）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC 作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字

11、運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC 的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在

12、購到所需的PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC 應用于生產(chǎn)實踐1。4.2 PLC的工作原理和特點（1）可靠性高、抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備非常關鍵的性能。PLC 由于采用大規(guī)模集成電路技術、嚴格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護、故障診斷等先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC 的平均無故障時間可高達510萬小時以上。從PLC 的機外電路來說，PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少

13、到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。（2）功能完善、適應性強到現(xiàn)在為止PLC 已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務。PLC 所具有的完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，PLC 通訊能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC 組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。（3）編程簡單、直觀PLC 采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制提供了方便。（4）系統(tǒng)安裝簡單、體積小、價格低

14、PLC 在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結構，大大地減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建設的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術的廣泛應用，功耗僅數(shù)瓦。由于PLC 體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。使得PLC 的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下，PLC 的價格也越來越低。PLC其硬件結構和微機是基本一致的，如圖5所示，PLC 硬件的基本結構圖： 圖 4 PLC硬件的結構基本圖（1）中央處理單元（CPU ）中央處理單元（CPU ）是PLC 的控制中樞。它按照PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢

15、查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。（2）存儲器與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構成一臺完整的PLC 。PLC 的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型，PLC 的CPU 的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）和用戶程序存儲區(qū)。（3）PLC 電源PLC電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC ，還是中、大型的PLC ，其電源的性能都

16、是一樣的，均能對PLC 內(nèi)部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負10%（15%）之間，因此可以直接將PLC 接入到交流電網(wǎng)上去。PLC 工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN ）狀態(tài)與停止（STOP ）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP 工作狀態(tài)。在可編程控制器的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。外

17、接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴扇舾蓷l指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉指令時，CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程

18、元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算結果寫入到對應的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。梯形圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某

19、一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為ON ，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF 。掃描周期可編程序控制器在RUN 工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖（6）所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU 執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖6所示。 第11頁圖 5 PLC的掃描運行方式（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉

20、入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能，例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。 （3）輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU 按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸

21、出電路驅動響應的外設。這時才是PLC 真正的輸出。 5、設計方案5.1 PLC的I/O口分布根據(jù)機械手動作的要求及機械手實物教學實驗裝置說明指導，輸入、輸出點分配如表1所示。表1 PLC的I/O分配表 名稱 輸入 名稱 輸出 氣夾正轉限位 X0 驅動器一 PUL Y0 氣夾反轉限位 X1 驅動器二 PUL Y1 基座正轉限位 X2 驅動器一 DIR Y2 基座反轉限位 X3 驅動器二 DIR Y3 旋轉脈沖 X4 氣夾正轉 ML Y4 X 軸前限位 X5 氣夾反轉 MR Y5 X 軸后限位 X6 基座反轉 MR Y6 Y 軸上限位 X7 基座正轉 ML Y7 Y 軸下限位 X10 氣夾電磁閥

22、YV+Y10 啟動按鈕 X11 復位按鈕X12第12頁5.2 PLC程序的調試由于PLC 是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證PLC 正常、安全、可靠的運行。因此，討論PLC 設計調試就具有十分重要的意義。 5.3 PLC的安裝與接線1、 輸入接線（1）輸入接線一般不要超過30m 。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。（2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。（3）利用普通二極管恰當?shù)拇釉赑LC 輸入回路中，防止信號干擾，使PLC 輸入信號

23、大大增強。2、電源接線電源是PLC 引入干擾的主要途徑之一，PLC 應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC 的可靠性有很大幫助。PLC 的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按

24、照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠16。PLC 供電電源為50Hz 、220V 10%的交流電。由于本設計使用的是FX 1N 系列可編程控制器，所以有直流24V 輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流24V 電源。3、接地正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系第13頁統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC 控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC 可靠工

25、作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。5.4 機械手控制系統(tǒng)的外圍接線圖以及梯形圖 見附錄1和附錄2 5.5 機械手實現(xiàn)過程機械手的全部動作由步進電機和直流電機進行驅動控制。機械手結構示意圖如圖8所示。步進電機的運動需要驅動器，有脈沖輸入時步進電機才會動作，且每當脈沖由低變高時步進電機走一步；改變電機轉向時，需要加方向信號。機械手的上升/下降、前伸/后縮動作就是通過控制這兩個步進電機的正反轉來實現(xiàn)的?；D/反轉和氣夾正轉/反轉是通過兩個繼電器的吸合與斷開來控制直流電機的轉動方向來實現(xiàn)的。機械手的放松/夾緊由一個單線圈兩位置電磁閥控制。當該線圈通電時，機械手放松；該線圈斷電時，機械手夾緊。打開電源，按下起動按鈕時，開機復位。機械手的動作示意圖如圖7所示機械手若不在原點則PLC 向驅動器一同時輸入脈沖信號和電平信號，步進電機一反轉，橫軸后縮。當后縮到位時碰到后限位開關，然后主機向驅動器二輸入脈沖信號，步進電機二正轉，機械手上升。上升到底時碰