基于PLC控制的兩關(guān)節(jié)機械手運動仿真

1、惠州學(xué)院HUIZHOU UNIVERSITY畢 業(yè) 論 文設(shè) 計中文題目：基于PLC控制的兩關(guān)節(jié)機械手運動仿真英文題目：The Motion Simulation of Two Joint Manipulator Based on PLC Control 姓 名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 提交日期： 教務(wù)處制基于PLC控制的兩關(guān)節(jié)機械手運動仿真黃亮亮 08電氣信息工程2班 指導(dǎo)老師：鄭繼紅 講師摘要機械手是能夠模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓吸取、搬運工件或工具或進行操作的自動化裝置，它能局部的代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作

2、業(yè)。在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。在我國，工業(yè)機械手近年來有較快的開展，投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，并且很好的效果。關(guān)鍵詞：機械手 兩關(guān)節(jié) 步進電機驅(qū)動 PLC The Motion Simulation of Two Joint Manipulator Based on PLC ControlAbstractManipulator is to be able to imitate manpower movement, and according to set program, locus

3、 and requirement substitute manpower to grab (inhale), take things or tool or the automation installation that operated， it can be partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higher level type can still imitate the arm movement of person，completes more complex work. In mechan

4、ical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively，so improved the labor condition of worker greatly, raising labor productivity notably, quickly realize the step of industrial production mechanization and automation. In our country, industrial manipulator has more rapid developme

5、nt in recent years, have put in plenty of manpower material resources to study and apply，and get very good effect. The problem of this program major research is "the design of manipulator arm moving automatically in close range - the drive of atmospheric pressure ". Design includes two big

6、 aspects, one is pushcart move part, the other is the operation of arm. They both With same drive energy - air pump. Walk part can drive two wheels to turn with the motor of atmospheric pressure. The pump of atmospheric pressure fixed in certain place, use a flexible tube linked the pump and motor,

7、motor installation in walk part. The movement of arm in straight line realizes with cylinder, revolving movement realizes with the motor of atmospheric pressure. Walking arm do not move, when the arm moving, walk part stop sport.Keywords: manipulator two joints the drive of the stepper motor PLC目錄1緒

8、論4機械手的開展概況與開展趨勢4應(yīng)用機械手的意義2本文研究內(nèi)容22PLC和機械手簡介4PLC簡介4PLC開展歷史4PLC根本結(jié)構(gòu)4PLC工作原理5機械手及其組成7機械手概念7機械手的組成7機械手的分類8對機械手的一般要求83機械手設(shè)計方案10機械手的主要結(jié)構(gòu)10機械手的規(guī)格參數(shù)10設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題114機械手控制算法及原理13機械手角度計算13控制原理14規(guī)格參數(shù)155硬件設(shè)計16硬件單元16系統(tǒng)硬件連接圖18系統(tǒng)輸入口分配186軟件設(shè)計20FX2N-1PG模塊20FX2N PLC與特殊功能模塊之間的讀/寫操作22特殊功能模塊讀指令22特殊功能模塊寫指令23存放器功能描述23控制程序原

9、理圖24梯形圖25指令語句表277系統(tǒng)仿真29軌跡規(guī)劃的概述29機械手數(shù)學(xué)模型的建立29兩關(guān)節(jié)機械手運動方程的建立31機械手逆向運動方程的建立31Matlab仿真328結(jié) 論35致謝36參考文獻371 緒論1.1 機械手的開展概況與開展趨勢機械手是機械、電子、計算機、液壓液力與氣壓傳動等多學(xué)科高新技術(shù)融合的成果，是當(dāng)代技術(shù)進步的典型范例。機械手通常用作機床或其它機器的附加裝置，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，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手。專用機械手經(jīng)過幾十年的開展，如今已進入以通用機械手為標(biāo)志

10、的時代。由于通用機械手的應(yīng)用開展，進而促進了智能機械手的研制。智能機械手涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣壓傳動等根底知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對開展這一新技術(shù)都很重視。氣動技術(shù)作為機械手中的驅(qū)動功能已有局部被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)已被接受。由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機械手、氣動機械手的實用性已經(jīng)充分表達出來。因為氣動伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，同時為氣動機械手、氣

11、動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。研制具有一定"感觸"和"智力"的智能機械手。這種機械手，具有各種傳感裝置，并配備有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)起"大腦"，使它能"思考"、能"分析"、能"記憶"。用電視攝像機、測距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為"眼睛"，在其"視野"的范圍內(nèi)能"看"。用聽筒和聲敏元件等作"耳朵"能"聽"。用揚聲器等作&

12、quot;嘴"能"說話"進行"應(yīng)答"。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作"觸覺"能"感觸"。用滾輪或雙足式的行走機構(gòu)作為"腳"來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手，可以由人用特殊的語言對其下達命令，布置任務(wù)。受令后的智能機械手，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨立地"分析"和"判斷"并自編或自變程序的進行工作；能夠自找選擇物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為"無人化"系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。1.2 應(yīng)用機械

13、手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的開展，機械手也越來越多地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的主要目的：一、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機械手，有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)本錢。二、可以改善勞動條件、防止人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作時有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可局部或全部代

14、替人平安的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以防止由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手，使開展工業(yè)的必然趨勢。1.3 本文研究內(nèi)容本文介紹的PLC是可編程序控制器Programmable Logic Controller的簡稱，是在繼電順序控制

15、根底上開展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛開展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PCPROGRAMMABLE CONTROLLER，但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習(xí)慣稱為PLC。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的開展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)SOFTPLC，更是PLC領(lǐng)域無限的開展前景。本文將通過對PLC控制機械手的系統(tǒng)設(shè)計使讀者更進一步的認識PLC技術(shù)。2 PLC和機械手簡介2.1 PLC簡介可編程控制器簡稱PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存

16、儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。2.1.1 PLC開展歷史20世紀(jì)60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭劇烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，在1968年美國通用汽車公司GM首先公開招標(biāo)，對控制系統(tǒng)提出的具體要求根本為：(1) 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計周期短，更改容易，接線簡單本錢低。(2) 它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來。但編程要比計算機簡單易學(xué)、操作方便。(3) 系統(tǒng)通用性強。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司DEC根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首

17、次試用成功，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速開展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。其定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原那么設(shè)計。2.1.2 PLC根本結(jié)構(gòu)可編程序控制器實施控制，其實質(zhì)就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變

18、換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個根本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器CPU、存儲器RAM/ROM、輸入輸出接口I/O電路、通信接口及電源組成。PLC的根本結(jié)構(gòu)如圖 21所示：圖 21 PLC根本結(jié)構(gòu)圖2.1.3 PLC工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，假設(shè)有鍵按

19、下或有I/O變化，那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，假設(shè)無那么繼續(xù)掃描等待。PLC那么是采用循環(huán)掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，那么從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。(1) 輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)存放器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程

20、序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)存放器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。(2) 程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助存放器和輸出狀態(tài)存放器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。(3) 輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)存放器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路輸出映像存放器，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構(gòu)成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因

21、此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測自診斷功能并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視效勞，一般在程序執(zhí)行之后進行。綜上述，PLC的掃描工作過程如圖 22所示。圖 22 PLC掃描工作過程顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)存放器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，

22、并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大局部時間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個一般PLC都會采取高速模塊?？傊琍LC采用掃描的工作方式，是區(qū)別于其他設(shè)備的最大特點之一，我們在學(xué)習(xí)和使用PLC當(dāng)中都應(yīng)加強注意。2.2 機械手及其組成2.2.1 機械手概念機械手是一種能模仿人手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械

23、化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身平安，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手是工廠企業(yè)高度自動化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機械手起到了不可取代的作用。2.2.2 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。(1) 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。1) 手部 即與物件接觸的部件。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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。2) 手腕 是聯(lián)接手

24、部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。3) 手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。4) 立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一局部，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降或俯仰運動均與立柱有密切的聯(lián)系。5) 行走機構(gòu) 機械手為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的或是無軌的兩種。6) 機座 它是機械手的根底局部，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。7) 其它局部 行程檢測裝置和傳感裝置等。行程檢測裝置是檢測和控制機械手各運動行程位置的裝置。傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物

25、件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物件的位置是否準(zhǔn)確、手指對物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)。(2) 運動機構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動擺動、移動或復(fù)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(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)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(shè)計的關(guān)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(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度。2.3 機械手的分類(1) 按機械手的使用范圍分類：1) 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它附屬于某種機器或生產(chǎn)線，用以自動的傳送物件或操作某一工具。

26、這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，本錢較低，適用于動作比擬簡單的大批量生產(chǎn)的場合。2) 通用機械手也稱工業(yè)機械手即指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，又不附屬于某種機器，而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。(2) 按機械手的驅(qū)動方式分類：1) 液壓驅(qū)動機械手 以壓力油進行驅(qū)動。2) 氣壓驅(qū)動機械手 以壓縮空氣進行驅(qū)動。3) 電力驅(qū)動機械手 直接用電機進行驅(qū)動。4) 機械驅(qū)動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。(3) 按機械手臂力大小分類：1) 微型機械手 臂力小于1公斤。2) 小型機械手 臂力為110公斤。3) 中型機械手 臂力為1030公斤。4)

27、大型機械手 臂力大于30公斤。(4) 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。2.4 對機械手的一般要求（1） 降低機械手的本錢 為了擴大機械手的使用范圍，必須降低機械手的本錢。據(jù)統(tǒng)計，機械手電氣控制裝置所占本錢的比重較大。（2） 品種多樣化為了適應(yīng)不同工作的需要，應(yīng)使的機械手的品種多樣化，用機械手代替更多的人的手工勞動，進而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。特別是那些工作比擬單一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動量較大的工種，更應(yīng)注意設(shè)計和使用各種類型的機械手。（3） 零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化為了加速擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計和制造周期。這樣，就要求機械手的某種零件、

28、部件(如手部、臂部等系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件或再相應(yīng)地增加一些其它零件、部件進行組合，組成需要的機械手。當(dāng)然，這樣的機械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利的重新組合。（4） 產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠 機械手的重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能應(yīng)穩(wěn)定可靠。為此，要求設(shè)計合理，元件穩(wěn)定，制造精確。3 機械手設(shè)計方案3.1 機械手的主要結(jié)構(gòu)本次設(shè)計的機械手需要通過步進電機來驅(qū)動的，如圖 31所示。肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)物體圖 31 機械手的結(jié)構(gòu)機械手主要由起固定支撐作用的底座、轉(zhuǎn)盤以及關(guān)節(jié)和手臂四局部組成。氣動機械手能夠?qū)崿F(xiàn)3個自由度由于機構(gòu)運動確定，因此機構(gòu)

29、的自由度等于機構(gòu)的原動件數(shù)目，此機構(gòu)有3個原動件，因此可得有3個自由度的運動，其各自的自由度的驅(qū)動全部由步進電機來驅(qū)動，從而實現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使機械手在XY平面上運動，根據(jù)合理的控制，使機械手到達任意位置，最終實現(xiàn)機械手的動作要求。3.2 機械手的規(guī)格參數(shù)運動速度是機械手主要的根本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低那么限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機械手最大移動速度設(shè)計為1200毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為1200/秒。平均移動速度為1000毫米/秒，平均回轉(zhuǎn)速度為900/秒。機械手動作時有起動、停止過程的加、減速度存在，用速度

30、-行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。那么手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為900/秒。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的根本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大局部機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計和比擬，該機械手手臂的最大工作半徑為500毫米，機械手臂定位和緩沖采用機械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5±1毫米。3.3 設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注

31、意的問題 手臂的結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)機械手的抓取重量、自由度數(shù)、運動速度、工作范圍、定位精度以及機械手的整體布局等因素決定的。手臂結(jié)構(gòu)是否設(shè)計的合理，對機械手的工作性能有著很大的影響，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)是，除了考慮上述諸因素外，還應(yīng)注意以下幾點：(1) 應(yīng)使手臂剛度大、重量輕由于機械手的手臂一般懸伸長度比擬長，假設(shè)手臂的剛度不夠時，會發(fā)生手臂彎曲變形過大，就會引起手臂的定位不準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿即手臂運動的靈活性。另外，手臂在起動或制動過程中受到慣性力或慣性力矩的作用，手臂將發(fā)生顫抖，由于手臂的顫抖，也會影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對手臂結(jié)構(gòu)有一定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確的

32、工作和一定的定位精度。(2) 應(yīng)使手臂運動速度快、慣性小為了減小慣性沖擊，一般采取的措施有：1) 手臂架選用鋁合金等輕質(zhì)材料來制造，以減輕手臂運動件的質(zhì)量。2) 盡量縮短手臂懸伸局部的長度，使手臂未伸出時的總重量的重心偏于伸縮方向的反側(cè)，以減小回轉(zhuǎn)半徑。3) 減小手臂運動件的輪廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊。4) 在驅(qū)動系統(tǒng)中增設(shè)緩沖裝置，使運動件減速緩沖。(3) 手臂動作應(yīng)靈活為使手臂運行輕快、靈活，除手臂本身結(jié)構(gòu)緊湊輕巧外，應(yīng)減少手臂運動件之間的摩擦阻力，用滾動摩擦代替滑動摩擦，以減少對升降支承軸線的偏重力矩，使手臂運動靈活，防止發(fā)生"卡死"即自鎖現(xiàn)象。(4) 應(yīng)使手臂傳動準(zhǔn)確、

33、導(dǎo)向性好為了能準(zhǔn)確的傳遞工件和保證傳動的平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)有導(dǎo)向支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強手臂的剛性。另外裝在手臂上的零部件要求便于裝拆和調(diào)整。(5) 其他要求對于在粉塵場合工作的機械手，應(yīng)設(shè)有防塵裝置等。4 機械手控制算法及原理4.1 機械手角度計算如圖 41所示，機械手的活動區(qū)域在圓O內(nèi)，即機械手的B點可以到達圓內(nèi)的任何位置。圖 41 機械手運動角度示意圖由圖中的幾何關(guān)系可知： (4-1) (4-2)4.2 控制原理圖中圓形區(qū)域內(nèi)的任何一個點都可以用極坐標(biāo)，來表示，因此，可在圓上取得的一些點，這樣通過公式以及計算就可知道機械手到達圓形區(qū)域的某些位置手臂OA和手臂AB需分別轉(zhuǎn)動的角度和了

34、，如表 41所示，不同 對應(yīng)的值如表 42所示。表 41 不同和 下對應(yīng)的值 注釋：結(jié)果保存兩位小數(shù)。 05101520253035404550表 42 不同 對應(yīng)的值 注釋：結(jié)果保存兩位小數(shù)。0510152025303540455001594因此，知道機械手需要到達的位置的極坐標(biāo)即可通過查表法獲得兩機械臂分別所要轉(zhuǎn)動的角度，從而通過PLC編程把角度轉(zhuǎn)化動步進電機的脈沖，然后利用步進電機驅(qū)動機械臂轉(zhuǎn)過一定角度，到達最終的目的。4.3 規(guī)格參數(shù)運動速度是機械手主要的根本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低那么限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。

35、該機械手平均移動速度為1000毫米/秒，機械手動作時有起動、停止過程的加、減速度存在，用速度-行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。那么手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為900/秒。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的根本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大局部機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計和比擬，該機械手手臂的伸縮行程定為250毫米，最大工作半徑為500毫米，

36、機械手臂定位和緩沖采用機械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5±1毫米。5 硬件設(shè)計5.1 硬件單元本系統(tǒng)硬件局部主要由以下單元組成。(1) 控制單元三菱FX2N-48MR型PLC作為控制單元，它具有24個數(shù)字量輸入和24個數(shù)字量輸出，輸出采用繼電器輸出方式，可驅(qū)動交流負載或者直流負載，每點電流容量為2A，每個公共端最大電流為8A，電壓在AC250V、DC30V以下。圖 51為FX2N系列PLC實物圖。圖 51 FX2N系列PLC實物圖(2) 脈沖輸出擴展模塊定位模塊FX2N-1PG是三菱PLC功能模塊之一 ，可單軸控制，脈沖輸出最大可達100 KB/s。針對定位控制的特點

37、，該模塊具有完善的控制參數(shù)設(shè)定，如定位目標(biāo)跟蹤、運行速度、爬行速度、加減速時間等。這些參數(shù)都可通過PLC的FROMTO指令設(shè)定。除高速響應(yīng)輸出外，還有常用的輸入控制，如正反限位開關(guān)、STOP、DOG(回參考點開關(guān)信號)、PG0(參考點信號)等。此外，還內(nèi)置了許多軟控制位，如返回原點、向前、向后等。對這些特定的功能，只要通過設(shè)置特定的緩沖單元已定義的位就可實現(xiàn)。(3) 步進電機機械手有一個轉(zhuǎn)盤和兩個關(guān)節(jié)，每個局部都有一個步進電機來控制它運轉(zhuǎn)的角度，如圖 52所示。圖 52 步進電機步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的開展，步

38、進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步進角?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而到達調(diào)速的目的。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。(4) 兩關(guān)節(jié)機械手兩關(guān)節(jié)機械手示意圖如圖 53所

39、示。圖 53 兩關(guān)節(jié)機械手5.2 系統(tǒng)硬件連接圖PLC與輸入點連接示意圖如圖 54所示，脈沖模塊與步進電機連接示意圖如圖 55所示。圖 54 FX2N PLC輸入點連接示意圖圖 55 FX2N-1PG與步進電機連接示意圖5.3 系統(tǒng)輸入口分配系統(tǒng)輸入口分配如表 51所示。表 51 系統(tǒng)輸入口分配輸入口說明輸入口說明X000錯誤復(fù)位X004手動加速X001停止X005手動減速X002前向限位X006原點位置X003反向限位X007開始6 軟件設(shè)計6.1 FX2N-1PG模塊高速脈沖模塊FX2N-1PG性能參數(shù)如表 61所示。表 61 FX2N-1PG模塊性能參數(shù)工程規(guī)格驅(qū)動電源24伏：用于輸入信

40、號。5伏：用于內(nèi)部控制。脈沖輸出電壓范圍：524伏，低于35mA或更少。占用的I/O點數(shù)一個FX2N-1PG模塊占用8點輸入或輸出?？刂戚S的數(shù)目一個PLC最多可以控制8各獨立的軸。指令速度當(dāng)脈沖速度在10PPS100KPPS時允許操作。設(shè)置脈沖0±可以選擇絕對位置規(guī)格或相對移動規(guī)格可以在脈沖.Nm，mdeg和10-4inch之中選擇指令單位?？梢詾槎ㄎ粩?shù)據(jù)設(shè)置倍數(shù)100，101，102或103。脈沖輸出格式可以選擇前向和反向脈沖或帶方向的脈沖。集電極開路的晶體管輸出524伏直流，20mA或更少。外部I/O為每一點提供光耦合隔離和LED操作指示。3點輸入：STOP,DOG,PGO#1

41、3點輸出：FP,RP,CLR 與PLC的通訊在FX2N-1PG模塊中有16位RAM(無備用電池)緩存(BFM)#0到#31。使用FROM/TO指令可以執(zhí)行與PC之間的數(shù)據(jù)通訊。當(dāng)兩個BFM合在一起可以處理32位數(shù)據(jù)。FX2N-1PG模塊緩存(BFM)#0到#31的分配功能定義 注釋：僅摘錄與本設(shè)計程序相關(guān)說明。1BFM #0：脈沖速率 設(shè)定范圍：1到32767PLS/REV這是放大器使電機旋轉(zhuǎn)一圈所需的輸入脈沖數(shù)目2BFM #2和BFM #1：進給速率 設(shè)定范圍：1到999999um/R這是電機旋轉(zhuǎn)一圈的機器移動量。3BFM #3：參數(shù)設(shè)定，b0到b1的內(nèi)容設(shè)定含義如如表 62、表 63所示。

42、表 62 b0、b1的內(nèi)容設(shè)定含義b1b0單元系統(tǒng)備注00電機系統(tǒng)以脈沖為單位01機器系統(tǒng)以長度和角度為單位10復(fù)合系統(tǒng)以長度和角度作為長度單位以每秒脈沖數(shù)作為速度單位11表 63 b5、b4的內(nèi)容設(shè)定含義b5b4定位數(shù)據(jù)的倍數(shù)001000110110102111034BFM #5和#4：最大速度Vmax 電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：10到100000HZ5BFM #6：基速Vbia 電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：0到100000HZ這是啟動時的基速。當(dāng)FX2N-1PG模塊和步進電機一起使用時，在考慮共振區(qū)和步進電機的自啟動頻率的情況下設(shè)置一個值。6BFM #8和#7：JOG速度VJOG 電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：1

43、0到100000HZ這是點進/點退JOG+/JOG-的速度。應(yīng)在基速Vbia和最大速度Vmax之間設(shè)置一個值。7BFM #10和#9：原點返回速度高速VRT 電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：10到100000HZ這是返回機器原位的速度高速，應(yīng)在基速Vbia和最大速度Vmax間設(shè)置一個值。8BFM #11：原點返回爬行速度VCR 電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：10到100000HZ這是返回機器原位的近點標(biāo)志DOG發(fā)出后的速度非常慢。在機器原點前停止瞬間的速度。應(yīng)設(shè)置的盡可能慢些，從而獲得更精確的原位。9BFM #12：用于原點返回的0點標(biāo)志數(shù)目N設(shè)置范圍：0到32767PLS10BFM #14和#13：原始位置HP

44、電機系統(tǒng)：0到±999999PLS這是機器返回的原點位置。11BFM #15：加速/減速時間 Ta 設(shè)置范圍：50到5000ms這是從基速到最大速度之間的時間。12BFM #18和#17：設(shè)置位置1 電機系統(tǒng)：0到±999999PLS這是目標(biāo)位置或操作的移動距離。13BFM #20和#19：運行速度1電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：10到10000HZ這是在基速和最大速度之間范圍內(nèi)的實際運行速度。14BFM #22和#21：設(shè)置位置2電機系統(tǒng)：0到±999999PLS這是在雙速定位操作下給第二個速度的設(shè)置位置。15BFM #24和#23：運行速度2電機系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)：10到1

45、0000HZ機器系統(tǒng)：1到153000這是在基速和最大速度之間范圍內(nèi)的雙速定位操作的第二個運行速度。16BFM #27和#26：當(dāng)前位置CP 電機系統(tǒng)：-2147483648到+2147483647HZ當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)自動在此寫入。17操作命令主要根據(jù)BFM #25b0到b11,b12來決定。6.2 FX2N PLC與特殊功能模塊之間的讀/寫操作FX2N系列可編程控制器與特殊功能模塊之間的通訊通過 FROM和TO指令執(zhí)行。FROM指令用于PLC根本單元讀取特殊功能模塊中的數(shù)據(jù)，TO指令用于PLC根本單元將數(shù)據(jù)寫到特殊功能模塊中。讀、寫操作都是針對特殊功能模塊的緩沖存放器BFM進行的。6.2.1

46、特殊功能模塊讀指令特殊功能模塊讀指令的指令名稱、助記符、指令代碼、操作數(shù)和程序步見表 64，該指令使用說明如圖 61所示。表 64 特殊功能模塊讀指令的要素指令名稱助記符指令代碼操作數(shù)程序步m1m2D·n讀指令FROMFNC78K、Hm1=07K、Hm2=031KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、ZK、Hn=132FROM 9步DFROM 17步特殊模塊號BFM號傳送源傳送地點傳送點數(shù)X000FNC78FROMK1K29K4M0K1m1m2nD圖 61 特殊功能模塊讀指令使用說明6.2.2 特殊功能模塊寫指令特殊功能模塊寫指令的指令名稱、助記符、指令代碼、操作數(shù)和程序步見表 65

47、，該指令使用說明如圖 62所示。表 65 特殊功能模塊寫指令的要素指令名稱助記符指令代碼操作數(shù)程序步m1m2S·n寫指令TOFNC79K、Hm1=07K、Hm2=031KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z、K、HK、Hn=132TO 9步DTO 17步特殊模塊號BFM#傳送地點傳送源傳送點數(shù)X000K1K12D0K1m1m2nSFNC79TO圖 62 特殊功能模塊寫指令使用說明6.3 存放器功能描述存放器功能描述如表 66所示。表 66 存放器功能描述存放器地址功能描述存放器地址功能描述D0存放關(guān)節(jié)1位置1設(shè)置D4存放關(guān)節(jié)1快速回參考點速度D1存放關(guān)節(jié)1位置2設(shè)置D5存放關(guān)節(jié)1

48、接近參考點速度D2存放關(guān)節(jié)2位置1設(shè)置D6存放關(guān)節(jié)2快速回參考點速度D3存放關(guān)節(jié)2位置2設(shè)置D7存放關(guān)節(jié)2接近參考點速度FX2N-1PG和FX2N-32MT通過數(shù)據(jù)線連接，進行數(shù)據(jù)通信。位置和速度數(shù)據(jù)由觸摸屏通過RS422輸入。6.4 控制程序原理圖系統(tǒng)控制程序原理圖如圖 63所示。由人機界面輸入兩關(guān)節(jié)位置到相應(yīng)數(shù)據(jù)存放器由人機界面輸入快速回參考點及接近參考點速度值PLC轉(zhuǎn)換數(shù)值PLC模塊配對脈沖模塊控制步進電機機械手到達相應(yīng)位置開始結(jié)束圖 63系統(tǒng)控制程序原理圖6.5 梯形圖 圖 64 梯形圖6.6 指令語句表 0 LD M8002 1 FROM K0 K30 D50 K1 10 CMP K

49、5110 D50 M0 17 FROM K1 K30 D51 K1 26 CMP K5110 D51 M3 33 LD X000 34 MUL D4 K1000 D14 41 DIV D14 K60 D10 48 MUL D5 K1000 D20 55 DIV D20 K60 D11 62 MUL D6 K1000 D15 69 DIV D15 K60 D12 76 MUL D7 K1000 D21 83 DIV D21 K60 D13 90 LD X000 91 AND M1 92 AND M4 93 TOP K0 K0 K200 K1 102 TOP K1 K0 K200 K1 111 T

50、OP K0 K17 D0 K1 120 TOP K1 K18 D1 K1 129 TOP K0 K17 D2 K1 138 TOP K1 K18 D3 K1 147 TOP K0 K19 D10 K1 156 TOP K0 K23 D11 K1 165 TOP K1 K19 D12 K1174 TOP K1 K23 D13 K1 183 LD X000 184 OUT M0 185 LD X001 186 OUT M1 187 LDI X002 188 OUT M2 189 LDI X003 190 OUT M3 191 LD X004 192 OUT M4 193 LD X005 194 O

51、UT M5 195 LD X006 196 OUT M6 197 LD M8000 198 OUT M7 199 LD M8000 200 TO K0 K25 K4M0 K1 209 FROM K0 K26 D10 K1 218 FROM K0 K28 K3M20 K1 227 CMP D10 K10000 M30 234 CMP D10 K0 M33 241 END7 系統(tǒng)仿真7.1 軌跡規(guī)劃的概述所謂軌跡，是指機械手在運動過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，計算出預(yù)期的運動軌跡。首先對機械手任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述。軌跡規(guī)劃器可使編程手續(xù)簡化，只要求用戶輸入有關(guān)路徑和軌跡的假設(shè)干約束和簡單描述，而復(fù)雜的細節(jié)問題那么由規(guī)劃器解決。例如，用戶只需要給手部的目標(biāo)位姿，讓規(guī)劃器確定到該目標(biāo)的路徑點、持續(xù)時間、運動速度等軌跡參數(shù)，并在計算機內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣規(guī)定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對內(nèi)部描述的軌跡，實時計算機械手運動的位移、速度和加速度，生成運動軌跡。通常，操作臂的運動可以看作是工具坐標(biāo)系相對與工作坐標(biāo)系的運動。用工具坐標(biāo)系相對與工作坐標(biāo)系的運動來描述路徑，是一種通用的描述方法。運動的描述與特定的操作臂、手爪或工