五自由度機(jī)械手項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書題 目 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 專業(yè) 0805班 10號學(xué)生姓名 彭交清 . 指導(dǎo)教師 伍新 吳晨曦 .完成日期 2011年11月23日 .湖南工程學(xué)院機(jī)械工程系圖 011.4 設(shè)計(jì)任務(wù)項(xiàng)目一：本設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求：五自由度示教機(jī)械手自由度數(shù):5個(gè)；手臂旋轉(zhuǎn)角度360；大臂旋轉(zhuǎn)角度210；小臂旋轉(zhuǎn)角度210；手爪旋轉(zhuǎn)角度360；手指旋轉(zhuǎn)角度120。五自由度示教機(jī)械手采用力矩限制器限制旋轉(zhuǎn)力矩，編碼器、磁鐵霍爾傳感器限定旋轉(zhuǎn)角度。使用步進(jìn)電機(jī)控制各自由度的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)精確位置控制。摩擦輪副由步進(jìn)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)扭矩，使整個(gè)手臂旋轉(zhuǎn)在

2、水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；大臂的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；小臂的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶提供工作扭矩；指的開合由步進(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；腕的翻轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)及減速器提供工作扭矩；手爪的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)通過傘狀齒輪副提供工作扭矩。控制系統(tǒng)采用PLC控制，編制梯形圖程序。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案本課題要求采用五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有旋轉(zhuǎn)臺、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個(gè)具有五種動作的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，并能夠模擬接近于人手臂的動作。機(jī)械手的坐標(biāo)可以采用簡單的關(guān)節(jié)型坐標(biāo)，因此對它的五種動作需要作一些規(guī)定：（1）機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度。由上向下看，相對旋轉(zhuǎn)臺的基準(zhǔn)線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，可在360

3、度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（2）大臂的旋轉(zhuǎn)是相對于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（3）肘也是相對于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（4）小臂相對于肘的軸線旋轉(zhuǎn)，可在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)的選型（1）交流伺服電動機(jī) 包括同步型交流伺服電動機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)等。 （2）直流伺服電動機(jī) 包括小慣量永磁直流伺服電動機(jī)、印制繞組直流伺服電動機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動機(jī)。 （3）步進(jìn)電動機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動機(jī)。本課題中需要五臺電動機(jī)，根據(jù)上述電動機(jī)因考慮其指標(biāo)、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺Kinco86系列步進(jìn)電機(jī)、四臺Kinco57系列三相步進(jìn)電動機(jī)（其中兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57

4、Q-04042,另兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04056），分別驅(qū)動臂旋轉(zhuǎn)以及大、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)和手腕的俯仰活動它們的主要參數(shù)如下表:型 號技術(shù)參數(shù)電機(jī)慣量(kg.cm )保持扭距(Nm)電機(jī)長度（mm）最大負(fù)載（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.05656機(jī)械手的plc控制PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 1）分析被控對象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制

5、方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。2）確定輸入輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。3）選擇PLC PLC選擇包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路分配I/O點(diǎn)：畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖

6、。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測、故障診斷和顯示等程序；4.保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實(shí)施設(shè)計(jì)控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之。間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查；由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求

7、，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。本課題選用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、FX1N和FX q2N幾個(gè)系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具有各種點(diǎn)數(shù)及各種輸出類型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有極高的靈活程度。FX的應(yīng)

8、用領(lǐng)域包括：通用機(jī)械、汽車制造、立體倉庫、機(jī)床與工具、過程控制、控制與裝置儀表、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、控制設(shè)備制造、專用機(jī)械 。 多種級別(功能逐步升級)的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更加復(fù)雜時(shí)，不必投入很多費(fèi)用。FX可編程控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便。任何時(shí)候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足本課題的需要。 表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表輸入觸點(diǎn)功能輸入觸點(diǎn)功能輸入觸點(diǎn)功能輸出觸點(diǎn)功能X6-SQ2左限位X12手動X15啟動Y0上升X7-SQ2右限位X13回原點(diǎn)X16

9、停止Y1下降X10-SQ2上限位X14單步X17夾緊Y2右行X11-SQ2下限位X18松開Y3左行X19上升Y4夾緊/放松X20下降X22右行X23左行表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表機(jī)械手的控制器日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器控制器具有40個(gè)輸入點(diǎn)、40個(gè)輸出點(diǎn)。滿足機(jī)械手5個(gè)步進(jìn)電機(jī)位置測量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、PLC、輸出接口電路。位置檢測與輸入接口電路位置反饋信號是通過光電編碼器而得到, 每個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過它實(shí)現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測, 光電編碼器主要是由控制電路板、紅

10、外光電耦合器及遮光盤組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu), 固定于槽形框內(nèi), 遮光盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上, 遮光盤為5孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, R3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強(qiáng)度。R1、R2 用于調(diào)節(jié)A、B 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時(shí), 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光, 通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 兩端電壓發(fā)生相應(yīng)變化, 從A、B 輸出脈沖信號。光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6 個(gè)相位差為30。的A、B 兩相6 個(gè)脈沖。正、

11、反向測速A、B 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。從A、B 輸出的脈沖信號為電平信號, 不能直接連接到PLC 的輸入端。還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電平信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號, 再送入PLC 輸入端。圖2 中IC、R4、T1 就是為此而設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)接口電路。IC 是一個(gè)異或門, 將兩路脈沖信號合成一路信號。西門子PLC 有高速一相一輸入計(jì)數(shù)器, 本文用到的計(jì)數(shù)器為C235C240 , 其相應(yīng)計(jì)數(shù)輸入端為X0X5。4.4 控制軟件設(shè)計(jì)利用PLC 對機(jī)械手進(jìn)行控制, 需要將手爪的運(yùn)動控制轉(zhuǎn)化為對機(jī)械手的直流伺服電機(jī)的控制。為了使手爪準(zhǔn)確到達(dá)所要求的位置, 需要精確計(jì)算出每個(gè)電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度, 即根據(jù)手爪在運(yùn)動空間的初

12、始位置和目標(biāo)位置計(jì)算出在空間坐標(biāo)系中的相對運(yùn)動量, 并將其換算成PLC 控制的內(nèi)部指令。各關(guān)節(jié)運(yùn)動如圖4-1 所示。電機(jī)2、3、4 控制的關(guān)節(jié)始終在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動, 而電機(jī)1 所控制的關(guān)節(jié)始終在關(guān)節(jié)2、3、4 所處的垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動, 電機(jī)5 控制手腕的轉(zhuǎn)動。 PLC 內(nèi)部應(yīng)用程序運(yùn)行后, 首先, 腰部電動機(jī)M1根據(jù)PLC 指令開始運(yùn)轉(zhuǎn), 相應(yīng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)器計(jì)滿數(shù)據(jù)后, PLC 輸出控制指令, 使M1 停止轉(zhuǎn)動,同時(shí)啟動M2、M3、M4、M5 一起動作, M2、M3、M4、M5 轉(zhuǎn)動到位后均停止轉(zhuǎn)動, 手爪抓住物體后, 電機(jī)M2、M3、M4、M5 重新運(yùn)轉(zhuǎn), 將物體提高至某一高度后停止

13、, 然后啟動電機(jī)M1 轉(zhuǎn)動至預(yù)定位置后, M2、M3、M4、M5 動作放下手爪, 而后M2、M3、M4、M5 動作回位, 機(jī)械手回到起始位置。設(shè)計(jì)程序是通過PLC 的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來對電動機(jī)進(jìn)行控制。電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí), 光電編碼器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。PLC 的內(nèi)部通用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率小于10Hz , 輸入脈沖信號的頻率遠(yuǎn)大于這一頻率, 因而必須使用PLC 內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器。PLC 高速計(jì)數(shù)器的輸入端是固定的, 高速計(jì)數(shù)器采用中斷處理方式的計(jì)數(shù)方式, 與PLC 的內(nèi)部頻率無關(guān)。采用的高速計(jì)數(shù)器是C235、C236、C237、C238、C239,對應(yīng)的計(jì)數(shù)輸入端是X0、X1、X2、X3、X

14、4、。因?yàn)楦鱾€(gè)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入固定, 所以輸入端口被占用后, 另外的計(jì)數(shù)器就不能使用。因而無論電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)都采用同一個(gè)計(jì)數(shù)器, 這就產(chǎn)生了一個(gè)問題,即每次計(jì)數(shù)前, 計(jì)數(shù)器都要清零, 這就會影響前一個(gè)過程已經(jīng)計(jì)數(shù)過的計(jì)數(shù)器的輸出動作。于是我們就采用了一個(gè)輔助繼電器來控制輸出, 這樣不會影響前一個(gè)流程已經(jīng)有輸出的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器輸入為X0X5 , 高速計(jì)數(shù)器自動讀取相應(yīng)輸入端的數(shù)值, 在程序里面不需要對其編程, 只需對計(jì)數(shù)器設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)初值啟動。X6X13 為單個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)手動控制輸入端, 各輸入控制相應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)動,X14X21 為單個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)手動控制輸入端。X22 為自動啟動按鈕, PLC 運(yùn)行后, 按下X22 將自動運(yùn)行程序。X23 為手動啟動按鈕, 只有按下X23 后, X6X13 與X14X21 才有效, X22 和X23 不能同時(shí)按下。4.5 plc控制梯形圖參考文獻(xiàn)1 張建民，工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社，19882宋立權(quán). 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京：機(jī)械