《機械手控制的設計6000字【論文】》

機械手控制的設計報告目錄TOC\o"1-3"\h\u21523引言 5221151PLC系統(tǒng)的組成與分類 630341.1PLC系統(tǒng)的組成 6166901.1.1PLC的硬件系統(tǒng) 6161601.1.2PLC的軟件系統(tǒng) 6199401.2PLC的分類 683491.2.1按結構形式分類 685331.2.2按功能、點數分類 647901.3PLC的選型 624051.4FX1N所具有優(yōu)越性能 752702機械手的總體設計方案 9302602.1硬件組成 953652.2軟件組成 10180002.2.1程序的總體結構 10164063機械手的機械系統(tǒng)設計 11177133.1設計要求 11191453.2控制方式及要求 12303913.3機械傳動部件的設計 1326783.4導向支承部件的設計 14244624機械手PLC集成控制系統(tǒng)的設計 1527256總結 1714744參考文獻 184430致謝 19

引言機械手是一種典型的機電一體化系統(tǒng)的實際應用，也是一種典型的可編程序控制器(PLC)技術的實際應用，它是通過可編程序控制器和數據記錄控制計算機(DRC)之間的通信進行聯合控制，自動控制機械手的啟動、運行和停機；自動進退裝載工件的托盤；自動升降注膠罐；自動判別是否涂膠等一系列動作。本系統(tǒng)采用日本三菱FX1系列的PLC編程語言和日本YAMAHAROBOTDRCSERIES的編程語言進行系統(tǒng)編程及優(yōu)化設計。1PLC系統(tǒng)的組成與分類1.1PLC系統(tǒng)的組成PLC發(fā)展這么多年，技術成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產的也有一定區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據自己設計需要，考慮如何選擇。PLC是以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置。其本質是工業(yè)控制專用計算機。因此，它的組成基本上與普通微型計算機相同。它還由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。1.1.1PLC的硬件系統(tǒng)PLC的硬件系統(tǒng)由基本單元、I/O擴展單元及外部設備組成。1.1.2PLC的軟件系統(tǒng)PLC的軟件系統(tǒng)是PLC所使用的各種程序的集合，可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成一個完整的PLC系統(tǒng)。它們相輔相成，缺一不可。沒有軟件的PLC系統(tǒng)被稱為裸機系統(tǒng)，它沒有任何功能，就像一個無米鍋。相反，沒有硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)也失去了基本的外部條件，程序根本無法運行。1.2PLC的分類1.2.1按結構形式分類根據結構形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。整體式結構緊湊，體積小，重量輕，價格低廉，這種結構常用于小型和超小型PLC。模塊式配置靈活，裝載維護方便，功能擴展方便，其缺點是結構復雜，成本高，一般大中型PLC都采用這種結構。1.2.2按功能、點數分類小型PLC已成為一種低端PLC，這種PLC體積小，輸入輸出點一般在20到128之間。中型PLC的I/O點通常在120到512點之間，用戶程序內存容量為2KB-8KB。大型PLC又稱高級PLC，I/O點數超過512點，其中，I/O點數超過8192點，又稱超大規(guī)模PLC，用戶程序存儲器容量大于8kb。1.3PLC的選型采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機及配置必須是功能較強的新一代PLC機型，一般最好不要選用舊機型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時還應當考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，我選用三菱FX1N來做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC產品。其中FX2是近年推出的產品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價格比，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構，如圖1-1。圖1-1圖2-4PLC三菱FX1N1.4FX1N所具有優(yōu)越性能【基本性能】CPU處理速度達到了0.065us/基本指令。內置了高達64K步的大容量RAM存儲器。大幅增加了內部軟元件的數量。強化了指令的功能，提供了多達209條應用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計算指令，產生隨機數指令等等?！炯蓸I(yè)界領先的功能】晶體管輸出型的基本單元內置了3軸獨立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點回歸（DSZR），中斷單速定位（DVIT）和表格設定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強大，使用更為方便。內置6點同時100kHz的高速計數功能，雙相計數時可以進行4倍頻計數?！緩姶蟮臄U展性】增強了通信的功能，其內置的編程口可以達到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同時使用3個通信口（包括編程口在內）。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點數，使用方便，在FX3U的左側最多可以連接10臺特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實現最多8路、最高200kHz的高速計數。通過使用高速輸出適配器可以實現最多4軸、最高200kHz的定位控制，繼電器輸出型的基本單元上也可以通過連接該適配器進行定位控制。通過CC-Link網絡的擴展可以實現最多達384點（包括遠程I/O在內）的控制。可以選裝高性能的顯示模塊（FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個字符(全角8個字符)×4行。在該模塊上可以進行軟元件的監(jiān)控、測試，時鐘的設定，存儲器卡盒與內置RAM間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安在控制柜的面板上。

2機械手的總體設計方案2.1硬件組成計算機控制系統(tǒng)的硬件一般由控制對象、檢測環(huán)節(jié)、計算機、輸入輸出通道、外部設備和操作臺組成。控制對象是指所要控制的機械手。此機械手由兩個垂直的手臂組成，可以進行X-Y軸坐標系的平面運動；此外，在其中的一個手臂上裝載一個連接板，涂膠的膠罐通過卡具與連接板上的汽缸滑軌相連，從而可以進行Z方向上的上下運動。此機械手的手臂的機械傳動部件采用大螺距滾珠絲杠，手臂在X-Y平面的運動是由伺服電機驅動的。膠筒的上下移動和涂膠動作的驅動是靠氣壓來推動的。檢測環(huán)節(jié)中的控制參數大多數為連續(xù)變化的物理參數，如機械轉數、加速度、位移、力、力矩等等；當然還包括機械極限位置一類的開關量的控制。控制計算機在實時控制過程中要知道這些受控參數的變化情況，就需要在系統(tǒng)中配備相應的檢測元件及其變換電路，將受控參數轉換成電參數，再輸入給計算機。計算機是控制系統(tǒng)的核心。本課題采用PLC，PLC根據輸入通道發(fā)送來的涂膠機械手的各種運行情況，按照預先根據控制規(guī)律(數學模型)設計的控制程序，自動地進行信息處理、分析和計算，做出相應的控制決策，并通過輸出通道向機械手發(fā)出控制命令是否涂膠。過程控制的操作員必須能夠與控制計算機進行人機“對話”，以了解生產過程的狀態(tài)，以及在發(fā)生事故時進行人工干預。所以要設計一個操作控制臺，其主要功能如下：(1)操作平臺上應有帶導軌的小車，供裝載需要涂膠的設備。(2)應具有功能控制面板，撥動扳鍵，計算機就能執(zhí)行標志所標明的動作。(3)應有一個簡單的手持編程器，用來送入某些數據或修改控制系統(tǒng)的某些參數。(4)應有報警裝置，供緊急情況時報警。2.2軟件組成2.2.1程序的總體結構機械手系統(tǒng)的程序總體結構如圖2-1，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運動程序，它們合在一起編程更加簡單這是因為它們的工作都是按照同樣的順序進行，所以將它們合在一起編程更加簡單。CJ是條件跳轉應用指令，指針標號PX是其操作數。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標號之間的程序，從指針標號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時間,也不會使各段程序同時執(zhí)行。假設選擇“手動”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X0常閉觸點為斷開，故執(zhí)行“手動程序”，執(zhí)行到P1處，由于X1常閉觸點為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處；假設選擇分“回原位”方式，則X0為OFF、X1為ON，跳過自動程序和手動程序執(zhí)行回原位程序；假設選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X0、X1均為OFF，此時執(zhí)行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序。圖2-1程序總的結構圖

3機械手的機械系統(tǒng)設計與一般機械系統(tǒng)相比，機電系統(tǒng)的機械系統(tǒng)不僅定位精度高，而且動態(tài)響應特性好，即響應快，穩(wěn)定性好。典型的機電一體化系統(tǒng)通常由控制單元、接口電路、功率放大器電路、執(zhí)行器、機械傳動單元和檢測傳感器單元組成。本文所描述的機械系統(tǒng)一般由減速裝置、螺母副、蝸輪副等各種線性傳動部件和連桿機構、凸輪機構、導向支撐部件、旋轉支撐部件、軸系和機架結構等非線性傳動部件組成。3.1設計要求采用PLC構成機械手的自動控制系統(tǒng)，可通過修改PLC控制程序，改變對機械手模型的控制要求。機械手橫軸水平面內作前后方向運動，豎軸能在垂直面內作上下兩方向運動，底座能作正反兩方向旋轉，手能正反兩方向旋轉，并且底座能在任意位置停止的功能。其主要任務是將A工作臺的工件旋轉搬運到B工作臺。機械手的工作方式可分為手動、單步、單周期、連續(xù)和回原點5種，各種工作方式的動作及控制要求說明如下。模型如圖3-1：3.2控制方式及要求1.控制方式(1).單周期工作方式a.接通電源后，機械機構自動復位；b.橫軸前伸；c.機械手旋轉到位；d.豎軸下降；e.電磁閥復位，機械手夾緊重物；f.豎軸上升；g.橫軸縮回；h.底盤旋轉到位；i.橫軸前伸；j.機械手旋轉；k.豎軸下降；l.電磁閥動作，機械手張開，放下貨物；m.豎軸上升；n.橫軸縮回；o.底盤旋轉復位。至此一個周期的動作結束。再按一次啟動按鈕就開始下一個周期。(2).連續(xù)方式啟動后機械手反復運行上述周期的每個動作，直到按下停止按鈕，機械手完成最后一個動作復位停止工作(3).單步工作方式從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。(4).利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降”按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調整工作位置。2.控制要求1).前進／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋機械手的每個動作必須到位，具體由相應限位開關控制，否則不能進行下一個工作步。前進／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋的動作由一個雙線圈的電磁閥控制。2）夾緊和放松機械手夾緊和放松的動作必須在兩個工位出進行，且其動作都要到位。為了確保夾緊和放松動作可靠，需對這兩個工作進行定時。夾緊和放松動作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥得電為夾緊，失電為放松。3.3機械傳動部件的設計機械傳動部件的主要功能是傳遞扭矩和速度。因此，它本質上是一個變矩器和變速器。其目的是使執(zhí)行機構和負載在扭矩和速度方面達到最佳匹配。對工作中的傳動機構，既要求能實現運動的變換，又要求實現動力的變換。隨著機電一體化系統(tǒng)(或產品)精密化和高速化的發(fā)展，必然要求其傳動機構小型輕量化，以提高運動靈敏度(響應性)。減小沖擊、降低能耗。為與電子部件的微型化相適應，也要盡可能作到使機械傳動部件短小輕薄化。3.4導向支承部件的設計直線運動滾動導軌副作為一種滾動摩擦副，具有許多特點：（1）摩擦系數?。?.003-0.005），運動靈活。（2）動、靜摩擦系數基本相同，起動阻力小，不易爬行。（3）可預測：緊、高。（4）長壽命。（5）精度高。（6）潤滑方便，可采用油脂潤滑，一次裝車，長期使用。（7）由專業(yè)廠家生產，可選購。因此，滾動導副廣泛應用于精密機床、數控機床、測量機和測量儀器中。在機械手系統(tǒng)中，導向副的主要功能是支撐托盤（上料工件）。并限制托盤移動方向（托盤向前和向后），導軌副沿直線移動。根據系統(tǒng)的具體工作條件和上述直線運動滾動導軌副的特點，最后選擇了滾動導軌副。

4機械手PLC集成控制系統(tǒng)的設計本文介紹的機械手系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)（或產品）的主要特點是自動化。因此，其控制系統(tǒng)非常重要。常用的方法是用通用或專用電子元件代替?zhèn)鲃訖C械產品（或系統(tǒng)）中復雜的機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。本文中的機械手系統(tǒng)就是采用以DRC(數據記錄控制計算機)和日本三菱公司的FX1系列PLC(可編程序控制器)進行的集成控制。該系統(tǒng)通過數據記錄控制計算機和可編程序控制器的聯合通信與控制，共同完成了涂膠機械手的自動控制。在該機械手控制系統(tǒng)中，我們選用的是日本三菱公司生產的型號為FX1-80MR的可編程控制器。在該系統(tǒng)中，將DRC(數據記錄控制計算機)的部分輸出型號作為PLC(可編程序控制器)的輸入信號，PLC把各種傳感器所測得的部分信號作為PLC的輸出信號發(fā)送給DRC作為其輸入信號，這樣兩者進行了集成控制。系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)由DRC(控制X-Y型直角坐標型機械手)作為上位機，PLC作為下位機。整個系統(tǒng)是一個半閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的自動控制流程如下所述，重復二執(zhí)行操作((2)一(11)，可實現系統(tǒng)的。(1)DRC與PLC進行通信握手，表明一切就緒；(2)光電傳感器檢測到工作臺上的托盤支架上是否有工件，發(fā)信號給PLC；(3)位置傳感器檢測到托盤支架己經到達里限限位開關，發(fā)信號給PLC；(4)液位傳感器檢測到注膠罐有允許的膠量，發(fā)信號給PLC；(5)限位傳感器檢測到注膠罐在上限位置，發(fā)信號給PLC；(6)DRC判斷機械手回歸原點位置，發(fā)信號給PLC；(7)PLC接受控制面板的自動按扭信號，發(fā)信號給DRC執(zhí)行動作；(8)DRC根據DPB(手持編程器)的程序，驅動伺服電機執(zhí)行X-Y的軌跡行程；(9)機械手行走到軌跡行程的最后一點，DRC等到此信號；(10)DRC將涂完最后一點的信號發(fā)送給PLC，同時PLC接受DRC的信號后，發(fā)信號使注膠罐收膠，并且注膠罐的氣缸使之回到上限位置同時托盤支架自動回歸工件裝卡位置。(11)PLC發(fā)信號給DRC，使機械手回歸原點。在這個系統(tǒng)中，實現了數據記錄控制計算機(DRC)與可編程序控制器(PLC)的集成控制。DRC主要完成該機械手的軌跡行程，PLC完成對該系統(tǒng)的現場控制信號的采集與執(zhí)行元件的驅動，它們之間的通信采用I/0來實現的。

總結目前，此機械手已投人運行，運行后能達到預先的設計效果：出膠定量、流速均勻、灌封飽滿、軌跡行程精確(軌跡行程可精確到0.01mm)、響應速度快、定位精度高，其性能穩(wěn)定、運行可靠、使用維護便利.該系統(tǒng)在控制現場方面，尤其在PLC控制方面，具有卓越的控制功能和良好的性能價格比。機械手的控制是一個比較復雜的工程，現在還處于探索初級階段.要實現機械手的智能化操作，一方面要把專家系統(tǒng)引入到本系統(tǒng)中；另一方面，還可運用神經網絡及自適應控制理論，使本系統(tǒng)具有更強的控制能力。

參考文獻[1]薇