完整版基于plc的机械手控制系统设计

完整版)基于plc的机械手控制系统设计

机械手由机械结构、控制系统和执行器三局部组成。机械结构是机械手的根本骨架，包括机械手臂、手爪等组成局部。控制系统是机械手的大脑，负责控制机械手的运动和操作。执行器是控制系统的输出局部，负责执行控制系统的指令，驱动机械手完成各种动作。机械手的组成局部相互协调，共同完成机械手的工作任务。2PLC控制系统简介2.1PLC概述PLC是可编程控制器的简称，是一种专门用于工业自动化控制的通用控制器。它以微处理器为核心，具有高可靠性、强抗干扰能力、良好的扩展性和灵活性等特点。PLC广泛应用于工业生产中的自动化控制领域，如机械制造、化工、电力、交通、冶金等行业。2.2PLC控制系统组成PLC控制系统主要由PLC主机、输入输出模块、编程软件和人机界面组成。PLC主机是PLC控制系统的核心，负责控制整个系统的运行和实现各种控制功能。输入输出模块负责将外部信号转换为PLC可以处理的数字信号，并将PLC输出信号转换为外部可控制的信号。编程软件用于编写PLC程序，实现控制系统的各种功能。人机界面是PLC控制系统与用户之间的接口，用于实现人机交互，方便用户对控制系统进行操作和监控。3基于PLC的机械手控制系统设计3.1系统设计思路本文设计的基于PLC的机械手控制系统主要由PLC控制系统、步进电机驱动系统和机械手组成。PLC控制系统负责控制机械手的运动和操作，步进电机驱动系统负责驱动机械手的运动，机械手负责完成各种动作任务。系统设计采用模块化设计思路，将系统分为PLC控制模块、步进电机驱动模块和机械手运动模块，分别进行设计和实现，最后进行整合测试。3.2系统设计方案PLC控制模块采用西门子PLC作为控制核心，通过编写PLC程序实现机械手的控制和操作。步进电机驱动模块采用步进电机驱动器和步进电机组成，通过PLC控制信号驱动步进电机实现机械手的运动。机械手运动模块由机械结构、执行器和传感器组成，通过步进电机驱动器驱动执行器完成机械手的各种动作，通过传感器检测机械手的运动状态并反应给PLC控制系统。3.3系统实现流程系统实现流程为：PLC控制系统接收用户输入的控制指令，经过处理后输出控制信号给步进电机驱动系统，步进电机驱动系统根据控制信号驱动机械手执行各种动作，同时传感器检测机械手的运动状态并反应给PLC控制系统，PLC控制系统根据传感器反应的信息调整控制信号，实现机械手的精确控制和操作。结论本文通过对基于PLC的机械手控制系统的设计和实现，实现了对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。该系统具有控制精度高、可靠性强、操作简便等优点，适用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等领域的自动化控制。机械手由手部、驱动系统和控制系统组成，如图1-1所示。手部是用来抓持工件〔或工具〕的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。驱动系统使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。机械手的自由度是运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，但其结构也越复杂。机械手的应用越来越广泛，涉及到铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种，以及轻工业、建筑业、国防工业等领域。机械手的应用主要有三个目的。首先，应用机械手可以提高生产过程的自动化程度，实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率和降低生产本钱。其次，机械手可以改善劳动条件，防止人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能。而应用机械手即可局部或全部代替人平安的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以防止由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。第三，机械手可以减少人力，并便于有节奏地生产。应用机械手代替人手进行工作，可以直接减少人力，同时由于应用机械手可以连续地工作，也可以减少人力。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。PLC是一种可编程逻辑控制器，广泛应用于工业自动化控制系统中。PLC的产生源于20世纪60年代初期，是为了解决制造业中的自动化控制问题而开展起来的。PLC的主要功能是进行逻辑运算、数据处理和控制输出等操作。PLC的控制系统可根据实际需要进行编程，实现各种控制功能。PLC的优点是具有高可靠性、易维护、易扩展、本钱低等特点，因此在工业自动化控制系统中得到了广泛应用。1968年，XXX〔GM〕发布了一个招标要求，要求软连接代替硬接线，维护方便，可靠性高于继电器控制柜，体积小于继电器控制柜，本钱低于继电器控制柜，有数据通讯功能，输入电压为115V，可在恶劣环境下工作，扩展时，原系统变更要少，用户程序存储容量可扩展到4K。这个要求的核心思想是用程序代替硬接线，输入/输出电平可与外部装置直接相连，结构易于扩展，这就是PLC的雏形。随后，1969年XXX研制出了世界上第一台PLC〔PDP-14〕，并在XXX汽车生产线上应用成功。2.2PLC的定义和特点2.2.1PLC的定义XXXNEMA和XXXIEC对可编程控制器分别作了定义：可编程控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量〔或模拟量〕进行逻辑运算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量〔或模拟量〕的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器主要用于开关量逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器，简称PLC。随着计算机技术的不断开展，其功能已不仅限于开关逻辑控制，因此被称之为可编程控制器PC，但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般把PLC作为可编程控制器的简称。2.2.2PLC的特点可编程控制器之所以能够得到迅速开展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：1〕可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、平安；面向工业环境设计，采取了滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工作环境，远远超过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。2〕编程简单，易于掌握。PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相似，具有直观、简单、容易掌握等优点。3〕功能完善，灵活方便。随着PLC技术的不断开展，其功能更加完善，不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可以单机使用，也可联网运行，既可集中控制，也可分布控制或者集散控制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。4〕体积小、质量轻、功耗低。由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构紧凑、功耗低。可编程控制器的主要性能指标可编程控制器的性能指标有很多，其中最主要的有以下几项：1)输入/输出点数(I/O)：I/O点数是指可编程控制器外部输入、输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。2)存储容量：存储容量是指可编程控制器内部用于存放用户程序的存储容量。3)扫描速度：一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也有以执行一步指令所需来计算，单位us/步。4)功能扩展能力：可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块，以适应各种特殊功能应用的需要。例如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。5)指令系统：指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。可编程控制器的分类通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。1)按结构形式分类：按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块等，然后进行组合。2)按控制规模分类：按控制规模大小，可分为小型、中型和大型PLC三种类型。1)小型PLC：小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2KB以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等根本功能。2)中型PLC：中型PLC的开关量I/O点数通常在256-2048点之间，用户程序存储器的容量为2-8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节，例如比例、积分、微分〔PID〕调节、数据传送与比拟、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。3)大型PLC：大型PLC也称为高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量在8KB以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。PLC系统的组成PLC系统由三个主要局部组成：输入/输出(I/O)模块、中央处理器(CPU)和编程器。输入/输出(I/O)模块负责将外部信号转换为数字信号，中央处理器(CPU)负责执行用户编写的程序，编程器则是用来编写、编辑、调试和下载程序的工具。此外，PLC系统还包括电源模块、通信模块、扩展模块等。PLC是一种工业通用自动控制装置，其硬件结构和微型计算机控制系统类似，由中央处理器、存储器、输入/输出接口电路、电源、扩展单元和外部设备等组成。这些局部通过总线连接。软件包括系统程序和用户程序，用户程序是用户根据控制要求，用PLC编程语言编制的应用程序。可编程控制器在进入RUN状态后，采用循环扫描方式工作，完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言和顺序功能图语言等，其中梯形图语言和助记符语言应用较多。梯形图语言是PLC的一种编程语言，从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。梯形图中的触点有两种，即动合触点和动断触点。梯形图的最右端必须连接输出元素。梯形图中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联，不能串联。助记符语言是另一种PLC的编程语言，用助记符表示逻辑元件和运算符。助记符语言编写程序的顺序不限，程序可以分成多个段，段之间可以有跳转指令。助记符语言的编程方法比拟灵活，适用于大型程序的编写。PLC采用循环扫描方式工作，完成一次扫描过程包括内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行和输出处理五个阶段。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。PLC的硬件结构和软件系统的完善，使其成为自动化控制领域中不可或缺的设备。AssistivelanguageisalanguagenforPLCXXXintuitiveandconvenient。itrequiresalargedisplayscreentoinputgraphicalsymbols。XXX。assistiveXXXassistivelanguageofdifferentPLCmodelsisdifferent。buttheirbasicprinciplesaresimilar。Whenprogramming。XXXaccordingtotherequirements。andthenconvertedintoassistivelanguageaccordingtotheladderdiagram.XXXofthenofasequentialcontrolsystem。mainlycomposedof"steps,""ns,"and"finitelinesegments."ItdividesaXXX(states)。eachstagehavingdifferentns。XXXaremet。thestatenisrealized。andtheusstatenends。andthenextnbegins.Currently。PLCshavebeenXXX。petroleum。chemical。power。buildingmaterials。machinerymanufacturing。automobiles。textiles。XXX。XXX。andXXX:1.LogiccontrolofswitchquantitiesThisisthemostbasicandwidelyusednareaofPLCs。ItXXXcontrol。Itcanbeusedforthecontrolofsingleequipment。aswellasformulti-machinegroupcontrolandautomatednlines。suchasnmoldingmachines。printingmachines。bookbindingmachinery。nmachinetools。grinders。packagingnlines。electroplatingnlines。etc.2.AnalogcontrolIntheindustrialnprocess。therearemanycontinuousvariablessuchastemperature。pressure。flow。liquidlevel。andspeed。whichareanalogquantities。Inordertoenabletheprogrammablecontrollertohandleanalogquantities。itisXXX.3.ncontrolPLCscanbeusedforthecontrolofcircularorlinearn。Intermsofcontrolmechanismn。itwasdirectlyconnectedtonsensorsandactuatorsthroughswitchI/Omodulesintheearlydays。butnowXXXused。suchassingle-axisormulti-axisncontrolmodulesthatcandriveXXX。TheproductsofmajorPLCmanufacturersintheworldalmostallhavencontrolns。XXX。machinetools。robots。elevators。andotherns.4.ProcesscontrolProcesscontrolreferstotheclosed-loopcontrolofanalogquantitiessuchastemperature。pressure。andflow。Asanindustrialcontrolcomputer。PLCcancompileusXXXclosed-loopcontrol。PIDadjustmentisamethodcommonlyusedingeneralclosed-loopcontrolsystems。Largeandmedium-sizedPLCshavePIDmodules。andcurrently。manysmallPLCsalsohavethisnalmodule。PIDprocessingisgenerallyrunbyadedicatedPIDXXX。chemicalindustry。andotherfields。Basedontheaboven。thedesignofamechanicalarmcontrolsystemusingPLCscanbeimplemented.PLC在金、化工、热处理、锅炉控制等领域得到广泛应用。其中，现代PLC具备数学运算〔包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算〕、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可完成数据采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比拟，完成一定的控制操作，也可通过通信功能传送到其他智能设备，或将其打印制表。数据处理通常用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。PLC通信包括PLC间的通信和PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制的开展，工厂自动化网络得到快速开展，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，推出各自的网络系统。近期生产的PLC都具备通信接口，通信非常方便。机械手的控制要求包括：机械手可用于将工件从A工位搬到B工位，可手动或自动控制，动作过程分为10个步骤，完成一个周期后返回原位。为了方便调试和维护，控制系统有手动和自动功能。手动模式下，每按下一个按钮，执行一步操作。自动模式下，按下启动按钮，机械手自动运行，一个周期后循环工作，直至完成搬运任务。在运行之前，通常对机械手进行复位操作，有机械手在左边、在右边、在中间三种情况，要逐一考虑，使机械手在任意位置都可以完成复位，回到原点。在运行过程中，按下停止按钮时，要停止一切动作。ComparisonofDesignSchemesforMechanicalArmControlSystemXXXn。therearethreecommonlyusedcontrolsystems:nalrelay-contactcontrolsystem。PLCcontrolsystem。andputercontrolsystem。However。basedonusability。economy。andreliability。thisdesignchosethePLCcontrolsystem。Fromtheanalysisofthecontrolnsrequiredforthemanipulator。itcanbeseenthatthemainnsarelifting。lowering。movingleftandright。clamping。releasing。rotatingleftandright。andprocessdelaycontrol。ThecontrolXXX。XXXncontrolsystem。ThisisthenthatPLCisbestat。andPLChastheadvantagesofsmallsize。lightweight。highreliability。stronganti-interferenceability。simpleprogramming。andeasymaintenance。XXX.Theswitchinputsignalofthissystemisadigitalsignal。directlyconnectedtothePLC。andthePLCcontrolstheXXXsystemdiagramisshowninFigure3-2.DesignofHardwareCircuitforPLC-basedMechanicalArmControlSystem4.1XXXPLCCurrently。therearemorethan200manufacturersintheworldproducingprogrammablecontrollerproducts。andthemorefamousPLCmanufacturersaremainlyAB。XXX。Mitsubishi。Omron。Siemens。TE。Samsung。LG。etc。TheS7-200PLCproducedbySiemensinGermanywasselectedinthispaper。TheS7-200seriesPLCisasmallPLCproducedbySiemens。andmanyofitsXXXtheleveloflargeandmedium-sizedPLCs。whilethepriceisthesameasthatofsmallPLCs。Therefore。ithasbeenXXXS7-200CPU22*seriesPLC。becauseithasavarietyofnalmodulesandhuman-machineinterface(HMI)tochoosefrom。thesystemXXXveryconvenient。anditcaneasilyformaPLCork。Atthesametime。ithasafullynalprogrammingandindustrialcontrolnare。makingiteasiertocompletethedesignofthecontrolsystem。withfastspeedandextremelystrongncapabilities。andXXXanynalcontroltask.Accordingtothecontrolrequirementsofthemechanicalarm。thePLCinputandoutputpointsareallocatedasshowninTable4-1:NameXXXSB1buttonSB2ResetbuttonSB3UpbuttonSB4DownbuttonSB5LeftbuttonSB64.2机械手驱动的选择机械手的所有动作都由步进电机和直流电机进行驱动控制。步进电机的运动需要驱动器，只有在脉冲输入时步进电机才会动作，且每当脉冲由低变高时步进电机走一步。改变电机方向时，需要加方向信号。机械手的上升/下降、左行/右行动作是通过控制这两个步进电机的正反转来实现的。基座旋转则是通过控制直流电机的转动方向来实现的。机械手的松开/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀控制。当该线圈通电时，机械手放松；该线圈断电时，机械手夹紧。4.2.1步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。通俗地讲，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度〔即步距角〕。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的。同时，也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。本系统采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作。相比直流电机，步进电机有更好的制动效果。再加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。步进电机体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。此处采用串联型接法，其电气接线图如下列图4-1所示。图4-1步进电机串联型接法电气接线图步进电机的运行需要一个电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器。XXXfromthecontrolsystemintoangulardisplacementofthemotor。Inotherwords。everytimethecontrolsystemsendsapulsesignal。thedriverrotatesthestepmotorbyonestepangle。Therefore。thespeedofthestepmotorisXXXtothefrequencyofthepulsesignal.Figure4-1showstheXXX.4.2.2XXXThestepmotorconsistsofthreemainelements:stepangle(relatedtothenumberofphases)。statictorque。andcurrent。Oncethesethreeelementsaredetermined。themodelofthestepmotorisdetermined.1.nofStepAngleThestepangleofthemotordependsonthenrequirementoftheload。Theminimumnoftheload(equivalent)isconvertedtothemotorshaft。andtheanglethateachXXX(includingn)shouldbeequaltoorlessthanthestepangleofthemotor。Currently。thestepangleofthestepmotoronthemarketisgenerally0.36degrees/0.72degrees(five-phasemotor)。0.9degrees/1.8degrees(two-andfour-phasemotor)。1.5degrees/3degrees(three-phasemotor)。etc.2.nofStaticXXXItisdifficulttodeterminethedynamictorqueofthestepmotoratonce。soweoftendeterminethestatictorqueofthemotorfirst。Thenofstatictorqueisbasedontheloadofthemotor。whichcanbedividedintotwotypes:XXXload。ThereisnosingleXXX(usuallyatlowspeed)。bothtypesofloadsXXXaccelerating。onlyinertialloadshouldbeconsidered。andwhenrunningataconstantspeed。onlynloadshouldbeconsidered。Generally。thestatictorqueshouldbe2-3timesthenload。Oncethestatictorqueisdetermined。themotorframeandlengthcanbedetermined(geometricns).3.nofCurrentFormotorswiththesamestatictorque。theiroperatingcharacteristicsdiffergreatlyduetodifferentcurrentparameters。Thecurrentofthemotorcanbejudgedbasedonthetorque-frequencycharacteristiccurve(referringtothedrivingpowersupplyanddrivingvoltage).4.nofTorqueandPowerThestepXXXusedforspeedninalargerange。anditspowerchanges。Generally。onlytorqueisusedtomeasureit。Thenoftorqueandpowerisasfollows:P=Ω·M。Ω=2π·n/60.P=2πnM/60.wherePispower。measuredinwatts。Ωisangularvelocitypersecond。measuredinradians。nisnalspeedperminute。Mistorque。measuredinnewton-meters。P=2πfM/400(half-stepn)。wherefisthepulsefrequencypersecond(referredtoasPPS).Inn。whenXXX。weshouldpaynto:1.Thestepmotorshouldbeusedinlow-speedns。XXX1000nsperminute(3000PPSfor0.9degrees)。anditisbesttouseiteen1000-3000PPS(0.9degrees)。ItcanbeXXXthisrangebyusingandevice。whichcanimprovetheefficiencyandcethenoiseofthemotor.2.Itisbestnottousethefull-stepstateforthestepmotor。asitcauseslargens.3.当电机工作在较高速或大惯量负载时，为了保证电机不失步并提高停止的定位精度，通常不会在工作速度起动，而是采用逐渐升频提速的方法。此外，这种方法还可以减少噪音。4.当电机工作在600PPS〔0.9度〕以下时，应该采用小电流、大电感、低电压来驱动。5.在选型时，应该先选择电机，再选择驱动器。根据以上原则，我们选择了深圳雷塞两相57HS13系列步进电机，并使用雷塞两相M860系列步进电机驱动器进行驱动。该电机的参数如下表所示：表4-2步进电机参数表静态矩(NM)步距角(°)相电流串联(A)相电流并联(A)电阻(Ω)电感(mH)长度L(mm)转子惯量(g2)重量(Kg)型号1.311.82.044.010.17646601.057HS13该电机驱动器的工作电流为2.4-7.2A，工作电压为24-80V。4.3PLC原理接线图根据选定的PLC型号、输入/输出端口分布表以及步进电机和步进电机驱动器类型，我们绘制了PLC的外部接线图，如下所示：图4-2PLC外部接线图5.控制系统软件设计本控制系统提供了自动和手动两种工作方式。手动控制方式为单步运行方式，可以按照普通继电器接触器控制系统来设计。用户可以通过按钮来对机械手的每个动作进行控制，例如按下“下降〞按钮，机械手会下降；按下“上升〞按钮，机械手会上升。自开工作方式则是按下启动按钮后，机械手会从原点开始按照工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手会自动停机。整个自动控制系统的运行流程如下：首先翻开电源，然后按下起动按钮，系统进行开机复位。机械手的动作示意图如图3-1所示。如果机械手不在原点，则PLC会向上下行驱动器输入脉冲信号，使上下行步进电机正转，从而使机