《机械手控制的设计6000字【论文】》

机械手控制的设计报告目录TOC\o"1-3"\h\u21523引言 5221151PLC系统的组成与分类 630341.1PLC系统的组成 6166901.1.1PLC的硬件系统 6161601.1.2PLC的软件系统 6199401.2PLC的分类 683491.2.1按结构形式分类 685331.2.2按功能、点数分类 647901.3PLC的选型 624051.4FX1N所具有优越性能 752702机械手的总体设计方案 9302602.1硬件组成 953652.2软件组成 10180002.2.1程序的总体结构 10164063机械手的机械系统设计 11177133.1设计要求 11191453.2控制方式及要求 12303913.3机械传动部件的设计 1326783.4导向支承部件的设计 14244624机械手PLC集成控制系统的设计 1527256总结 1714744参考文献 184430致谢 19

引言机械手是一种典型的机电一体化系统的实际应用，也是一种典型的可编程序控制器(PLC)技术的实际应用，它是通过可编程序控制器和数据记录控制计算机(DRC)之间的通信进行联合控制，自动控制机械手的启动、运行和停机；自动进退装载工件的托盘；自动升降注胶罐；自动判别是否涂胶等一系列动作。本系统采用日本三菱FX1系列的PLC编程语言和日本YAMAHAROBOTDRCSERIES的编程语言进行系统编程及优化设计。1PLC系统的组成与分类1.1PLC系统的组成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。PLC是以微处理器为核心的工业通用自动控制装置。其本质是工业控制专用计算机。因此，它的组成基本上与普通微型计算机相同。它还由硬件系统和软件系统组成。1.1.1PLC的硬件系统PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。1.1.2PLC的软件系统PLC的软件系统是PLC所使用的各种程序的集合，可分为系统程序和用户程序两部分。硬件系统和软件系统构成一个完整的PLC系统。它们相辅相成，缺一不可。没有软件的PLC系统被称为裸机系统，它没有任何功能，就像一个无米锅。相反，没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。1.2PLC的分类1.2.1按结构形式分类根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。整体式结构紧凑，体积小，重量轻，价格低廉，这种结构常用于小型和超小型PLC。模块式配置灵活，装载维护方便，功能扩展方便，其缺点是结构复杂，成本高，一般大中型PLC都采用这种结构。1.2.2按功能、点数分类小型PLC已成为一种低端PLC，这种PLC体积小，输入输出点一般在20到128之间。中型PLC的I/O点通常在120到512点之间，用户程序内存容量为2KB-8KB。大型PLC又称高级PLC，I/O点数超过512点，其中，I/O点数超过8192点，又称超大规模PLC，用户程序存储器容量大于8kb。1.3PLC的选型采用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FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构，如图1-1。图1-1图2-4PLC三菱FX1N1.4FX1N所具有优越性能【基本性能】CPU处理速度达到了0.065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。【集成业界领先的功能】晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。【强大的扩展性】增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过使用高速输出适配器可以实现最多4轴、最高200kHz的定位控制，继电器输出型的基本单元上也可以通过连接该适配器进行定位控制。通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（FX3U-7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：半角16个字符(全角8个字符)×4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安在控制柜的面板上。

2机械手的总体设计方案2.1硬件组成计算机控制系统的硬件一般由控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外部设备和操作台组成。控制对象是指所要控制的机械手。此机械手由两个垂直的手臂组成，可以进行X-Y轴坐标系的平面运动；此外，在其中的一个手臂上装载一个连接板，涂胶的胶罐通过卡具与连接板上的汽缸滑轨相连，从而可以进行Z方向上的上下运动。此机械手的手臂的机械传动部件采用大螺距滚珠丝杠，手臂在X-Y平面的运动是由伺服电机驱动的。胶筒的上下移动和涂胶动作的驱动是靠气压来推动的。检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如机械转数、加速度、位移、力、力矩等等；当然还包括机械极限位置一类的开关量的控制。控制计算机在实时控制过程中要知道这些受控参数的变化情况，就需要在系统中配备相应的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给计算机。计算机是控制系统的核心。本课题采用PLC，PLC根据输入通道发送来的涂胶机械手的各种运行情况，按照预先根据控制规律(数学模型)设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向机械手发出控制命令是否涂胶。过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行人机“对话”，以了解生产过程的状态，以及在发生事故时进行人工干预。所以要设计一个操作控制台，其主要功能如下：(1)操作平台上应有带导轨的小车，供装载需要涂胶的设备。(2)应具有功能控制面板，拨动扳键，计算机就能执行标志所标明的动作。(3)应有一个简单的手持编程器，用来送入某些数据或修改控制系统的某些参数。(4)应有报警装置，供紧急情况时报警。2.2软件组成2.2.1程序的总体结构机械手系统的程序总体结构如图2-1，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，它们合在一起编程更加简单这是因为它们的工作都是按照同样的顺序进行，所以将它们合在一起编程更加简单。CJ是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间,也不会使各段程序同时执行。假设选择“手动”方式，则X0为ON、X1为OFF，此时PLC执行完公用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于X0常闭触点为断开，故执行“手动程序”，执行到P1处，由于X1常闭触点为闭合，所以又跳过回原位程序到P2处；假设选择分“回原位”方式，则X0为OFF、X1为ON，跳过自动程序和手动程序执行回原位程序；假设选择“单步”或“单周期”或“连续”方式，则X0、X1均为OFF，此时执行完自动程序后，跳过手动程序和回原位程序。图2-1程序总的结构图

3机械手的机械系统设计与一般机械系统相比，机电系统的机械系统不仅定位精度高，而且动态响应特性好，即响应快，稳定性好。典型的机电一体化系统通常由控制单元、接口电路、功率放大器电路、执行器、机械传动单元和检测传感器单元组成。本文所描述的机械系统一般由减速装置、螺母副、蜗轮副等各种线性传动部件和连杆机构、凸轮机构、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系和机架结构等非线性传动部件组成。3.1设计要求采用PLC构成机械手的自动控制系统，可通过修改PLC控制程序，改变对机械手模型的控制要求。机械手横轴水平面内作前后方向运动，竖轴能在垂直面内作上下两方向运动，底座能作正反两方向旋转，手能正反两方向旋转，并且底座能在任意位置停止的功能。其主要任务是将A工作台的工件旋转搬运到B工作台。机械手的工作方式可分为手动、单步、单周期、连续和回原点5种，各种工作方式的动作及控制要求说明如下。模型如图3-1：3.2控制方式及要求1.控制方式(1).单周期工作方式a.接通电源后，机械机构自动复位；b.横轴前伸；c.机械手旋转到位；d.竖轴下降；e.电磁阀复位，机械手夹紧重物；f.竖轴上升；g.横轴缩回；h.底盘旋转到位；i.横轴前伸；j.机械手旋转；k.竖轴下降；l.电磁阀动作，机械手张开，放下货物；m.竖轴上升；n.横轴缩回；o.底盘旋转复位。至此一个周期的动作结束。再按一次启动按钮就开始下一个周期。(2).连续方式启动后机械手反复运行上述周期的每个动作，直到按下停止按钮，机械手完成最后一个动作复位停止工作(3).单步工作方式从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。(4).利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置。2.控制要求1).前进／后退、上升／下降、手顺旋／逆旋、底盘顺旋／逆旋机械手的每个动作必须到位，具体由相应限位开关控制，否则不能进行下一个工作步。前进／后退、上升／下降、手顺旋／逆旋、底盘顺旋／逆旋的动作由一个双线圈的电磁阀控制。2）夹紧和放松机械手夹紧和放松的动作必须在两个工位出进行，且其动作都要到位。为了确保夹紧和放松动作可靠，需对这两个工作进行定时。夹紧和放松动作由单线圈的电磁阀控制，电磁阀得电为夹紧，失电为放松。3.3机械传动部件的设计机械传动部件的主要功能是传递扭矩和速度。因此，它本质上是一个变矩器和变速器。其目的是使执行机构和负载在扭矩和速度方面达到最佳匹配。对工作中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求实现动力的变换。随着机电一体化系统(或产品)精密化和高速化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提高运动灵敏度(响应性)。减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可能作到使机械传动部件短小轻薄化。3.4导向支承部件的设计直线运动滚动导轨副作为一种滚动摩擦副，具有许多特点：（1）摩擦系数小（0.003-0.005），运动灵活。（2）动、静摩擦系数基本相同，起动阻力小，不易爬行。（3）可预测：紧、高。（4）长寿命。（5）精度高。（6）润滑方便，可采用油脂润滑，一次装车，长期使用。（7）由专业厂家生产，可选购。因此，滚动导副广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器中。在机械手系统中，导向副的主要功能是支撑托盘（上料工件）。并限制托盘移动方向（托盘向前和向后），导轨副沿直线移动。根据系统的具体工作条件和上述直线运动滚动导轨副的特点，最后选择了滚动导轨副。

4机械手PLC集成控制系统的设计本文介绍的机械手系统是典型的机电一体化系统。机电一体化系统（或产品）的主要特点是自动化。因此，其控制系统非常重要。常用的方法是用通用或专用电子元件代替传动机械产品（或系统）中复杂的机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。本文中的机械手系统就是采用以DRC(数据记录控制计算机)和日本三菱公司的FX1系列PLC(可编程序控制器)进行的集成控制。该系统通过数据记录控制计算机和可编程序控制器的联合通信与控制，共同完成了涂胶机械手的自动控制。在该机械手控制系统中，我们选用的是日本三菱公司生产的型号为FX1-80MR的可编程控制器。在该系统中，将DRC(数据记录控制计算机)的部分输出型号作为PLC(可编程序控制器)的输入信号，PLC把各种传感器所测得的部分信号作为PLC的输出信号发送给DRC作为其输入信号，这样两者进行了集成控制。系统的控制流程系统由DRC(控制X-Y型直角坐标型机械手)作为上位机，PLC作为下位机。整个系统是一个半闭环控制系统，系统的自动控制流程如下所述，重复二执行操作((2)一(11)，可实现系统的。(1)DRC与PLC进行通信握手，表明一切就绪；(2)光电传感器检测到工作台上的托盘支架上是否有工件，发信号给PLC；(3)位置传感器检测到托盘支架己经到达里限限位开关，发信号给PLC；(4)液位传感器检测到注胶罐有允许的胶量，发信号给PLC；(5)限位传感器检测到注胶罐在上限位置，发信号给PLC；(6)DRC判断机械手回归原点位置，发信号给PLC；(7)PLC接受控制面板的自动按扭信号，发信号给DRC执行动作；(8)DRC根据DPB(手持编程器)的程序，驱动伺服电机执行X-Y的轨迹行程；(9)机械手行走到轨迹行程的最后一点，DRC等到此信号；(10)DRC将涂完最后一点的信号发送给PLC，同时PLC接受DRC的信号后，发信号使注胶罐收胶，并且注胶罐的气缸使之回到上限位置同时托盘支架自动回归工件装卡位置。(11)PLC发信号给DRC，使机械手回归原点。在这个系统中，实现了数据记录控制计算机(DRC)与可编程序控制器(PLC)的集成控制。DRC主要完成该机械手的轨迹行程，PLC完成对该系统的现场控制信号的采集与执行元件的驱动，它们之间的通信采用I/0来实现的。

总结目前，此机械手已投人运行，运行后能达到预先的设计效果：出胶定量、流速均匀、灌封饱满、轨迹行程精确(轨迹行程可精确到0.01mm)、响应速度快、定位精度高，其性能稳定、运行可靠、使用维护便利.该系统在控制现场方面，尤其在PLC控制方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。机械手的控制是一个比较复杂的工程，现在还处于探索初级阶段.要实现机械手的智能化操作，一方面要把专家系统引入到本系统中；另一方面，还可运用神经网络及自适应控制理论，使本系统具有更强的控制能力。

参考文献[1]薇