机电一体化专业毕业设计-基于PLC驱动的三自由度机械手设计

基于PLC驱动的三自由度机械手设计摘要：可编程控制器（PLC）是专门为工业生产环境而设计的控制设备，具有抗干扰能力强，可靠性高，编程简单性价比高的特点，在工业控制领域得到越来越广泛应用。当工作环境较为恶劣.如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使硬件可靠性受到影响，当处理复杂逻辑或者精细控制时，噪音干扰以及越来越复杂的软件设计都会使软件可靠性受到影响。本文从PLC控制系统的产生及发展现状入手，详细的论述了PLC的基本结构和工作的原理，并通过可编程控制器在机器手中的应用进行了具体的应用分析。关键词:可编程控制器；控制系统；设计1.引言可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存贮器，用于其内部存贮程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩允其功能的原则设计。可编程控制器（PLC）这一电子系统的设计目的是为了能够更好的在工业环境下进行数字运算。可编程控制器选用的存储器是可编程式，为了在它内部存储执行定时、算术运算、顺序控制、逻辑运算、计数等操作指令，并且运用模拟式或者数字式的输入与输出来达到对各类型的机器与生产活动就行控制。现在可编程控制器应用已经大规模的运用到计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）之中了。随着计算机网络的日益发展，作为国际通用网络以及自动化控制网络重要组成部分的可编程控制器（PLC）将会在工业以及工业之外的各种领域担当重要角色[1]。在人们的日常生活、工业制造、制冷等领域，温度作为当前环境的重要因素之一，被人们广泛的作为参考因素来使用，从而保证各项工作的正常运行，如火灾报警、温室或粮仓中的温度实时监控、冷库温度的调节等，因此以温度参数为基础的温度控制系统被广泛开发和使用。使用传统意义上的温度计采集温度信息，不但采集精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度高。此外由于环境因素导致的数据难以采集的问题，特别是在工厂，火灾等现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节约人力，提高效率，但是这样就会出现数据传输的文艺，由于厂房打、需要传输的数据多，使用传统的方法容易造成资源浪费而且可操作性差，精度不高，这都是在不同程度上限制了工作的进行和展开。因此，高精度，低成本，实时性好的温度控制系统急需人们去开发。2.可编程控制器的概述2.1可编程控制器的定义和特点PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[2]。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。（1）可靠性高，抗干扰能力强可靠性高是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代的PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言为工程技术人员所接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能[3]。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。2.2可编程控制器的结构PLC的系统结构如图2.1。图2.1PLC的系统结构(1)PLC的核心部分则是微处理器单元(CentralProcessingUnit，CPU)。微处理器单元包括控制接口电路和微处理器两部分。作为PLC运算控制中心的微处理器，不但要实现PLC的逻辑运算，并且要协调控制好系统内部各部分之间的所有工作。微处理器是根据系统程序所赋予的任务来运行的[4]。(2)存储器。PLC存放运行数据系统程序和用户程序的单元是存储器。存储器包括RAM（随机存取存储器)与ROM（只读存储器）随机存储器能够在使用过程中随时存储与取出，但是只读存储器不能存储只能取出。(3)输入/输出模块单元是为了给PLC提供对外功能，也就是通过各类的接口模块的外接线，进行检测控制工业设备以及生产过程等。PLC可以依据输入/输出接口模块来控制个执行机构，既可以把处理结果传达给外部过程，又可以检测到所需要的过程信息，通过命令驱动各种执行机构，达到控制整个工业生产过程的作用。PLC能够根据输出模块单元把运算处理的结果输送到工业过程的执行机构，从而达到控制的目的。也能通过输入模块单元获得整个生产过程的各种参数。PLC也能通过输出模块，能够对各种输入/输出信号的匹配要求配置不同类型的输入/输出模块单元，使其达到匹配工业过程现场的目的。(4)I/O扩展接口。PLC主机通过选用I/O扩展接口部件来达到扩展输入/输出点数和类型。智能输入/输出单元、远程输入/输出扩展单元、输入/输出扩展单元等都通过I/O扩展接口与主机相连。它有串行接口、并行接口等多类型的接口。(5)外设I/O接口。PLC主机通过外设I/O接口实现机机对话以及人机对话的目的。通过外设I/O接口，PLC能够与编程器、打印机、彩色图形显示器等外部设备相连，也能够跟上位计算机与其他PLC相连。通常情况下外设I/O接口都是采用RS422A或RS232C串行通信接口来达到信号电平的转换、通信格式的识别、串行并行数据的转换，数据传输的出错检验等。并且部分小型PLC，外设I/O接口中还拥有并行数据接口以此来与专用编程器连接。(6)电源。PLC整个的电源共计部分都是电源单位来支持。电源的主要作用就是通过把外部供应的电源转变成系统内部各单元需要的电源，并且有一部分的电源单元还可以为跟开关量输入单元连接的现场电源提供直流电源。其中电源单元有后背电池电源与掉电电源两种，可以在外部电源断电之后一段时间内保证RAM断电后存储的内容不会丢失。通常情况下PLC的电源都用开关电源，它具有质量轻、抗干扰能力强、输入电压范围宽以及效率高等优点[5]。2.3可编程控制器的工作原理(1)输入采样扫描阶段第一个集中批处理过程是输入采样扫描阶段，在此阶段中，PLC按照顺序依次逐一采集各个输入端子上的信号，无论是否已经与输入端子接线，CPU按照顺序读取全部输入端，并且同时将采集到的同一批输入信号写到输入映像寄存器中。在整个扫描周期之中，无论这时候的外部输入信号是怎样变化，用户程序的输入信号状态都会从输入映像寄存器中读取。即便是现在外部输入信号发生了变化，也只有等到下一个扫描周期重新进行读取。理论上这样子采集对于采集到的信号有先后之分，但是由于PLC的扫描周期很短，所以这个问题可以不考虑，实际上可以认为PLC采集到的信息是同时的。(2)执行用户程序扫描阶段作为第二个集中批处理过程的执行用户程序扫描阶段，CPU按照顺序对对用户程序进行扫描。假如程序用的是梯形图的话，那么会按照从左到右、先上后下的原则进行扫描，每次扫描到一条指令就会从输入映像寄存器中读取到所需要的输入信息的现时状态。并不是立即获取现场的立即输入信号。对于别的信息，会通过PLC上面的元件映像寄存器来读取。对于每一次执行用户程序的运算，都会直接写入到元件映像寄存器当中，对扫描的继电器结果也是写入到映像寄存器中。(3)输出刷新扫描阶段最后一个集中批处理过程就是输出刷新扫描阶段了，在这个阶段中，CPU对整个用户程序扫描结束后会对元件映像寄存器中的各种输出继电器的状态发送到输出锁存器中，再通过输出锁存器利用输出子端去驱动各输出继电器所带的负荷。CPU会在输出刷新结束之后进入下个循环周期。PLC的扫描工作过程如图2.2所示。图2.2PLC的扫描工作过程3.可编程控制器在机械手中的应用3.1机械手的定义机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。机械手（Mechanicalhand）,也被称为自动手，(Autohand)能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手主要由手部和运动机构组成。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，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、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[6]。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。3.2机械结构在图3.1中,机械手的所有动作均采用电液控制、液压驱动，它的上升/下降和左移/右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持当前的机械动作,直到相反动作的线圈通电为止。例如当下将电磁阀线圈通电后，机械手下降，即使线圈在断电，仍保持当前的下降动作状态，直到上升电磁阀通电为止。机械手的夹紧/放松采用单线圈二位电磁阀推动液压缸完成，线圈通电时执行夹紧工作，线圈断电时执行放松动作。为了使动作准确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、分别对机械手进行下降、上升、右行、左行等动作的限位，并给出了动作到位的信号。另外，还安装了光电开关SP，负责监测工作台B上的工件是否已移走，从而产生工作信号，为下一个工件的下放做好准备。图3.1机械手工作示意图（1）系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作：根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。分析机械手所在的系统工作环境。认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此，我进行如下分析：本设计课题为物料传送机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手。由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。再者是搬运物体的考虑，由于是小型物件，所以对机械手的抓取力量并无太高要求，而物体形状初步拟定为圆柱形，方便设计。（2）总体设计框图图3.2总体设计框图如图3.2为总设计框图，说明如下：控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。感知系统：即传感器的选择及具体作用。（3）搬运机械手的基本参数机械手的最大搬运物料的重量是它的主参数。本论文物料传送机械手所搬运的物料质量可设定为5kg。运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料传送机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。该机械手的最大平移速度为1m/s。伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。过大的工作半径和伸缩行程，会增大机械手的运动负载，使得机械手刚性降低，而工作半径过小则不能够实现机械手的功能，限制了机械手的应用和扩展性。本论文物料传送机械手设定水平反向伸缩行程200mm，回转角度范围为90°。机械手竖直方向的升降行程为100mm。定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料传送机械手的定位精度设定为士0.5到士1mm之间。物料传送机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料传送机械手各关节的行程和时间分配来决定。表3.1物料传送机械手基本参数（自定）水平机构伸出范围：0~500mm垂直机构升降范围：100mm伸出速度：334mm/s上升速度：200mm/s收缩速度：334mm/s下降速度：200mm/s定位精度：士1mm定位精度：士1mm回转机构回转角度：180°手爪搬运范围<Φ500mm回转速度：90°/s定位精度：士5'3.3PLC输入/输出分配表根据控制要求及控制分析,该系统需要14各输入点和5个输出点,输入/输出分配表如表3.2所示。表3.2PLC控制机械手的输入/输出分配表输入输出功能元件PLC地址功能元件地址启动控制按钮SB1I0.0上升对应的电磁阀控制线圈KM1Q0.2上限位行程开关SQ2I0.2下降对应的电磁阀控制线圈KM2Q0.0下限位行程开关SQ1I0.1左行对应的电磁阀控制线圈KM3Q0.4左限位行程开关SQ4I0.4右行对应的电磁阀控制线圈KM4Q0.3右限位行程开关SQ3I0.3夹紧放松电磁阀控制线圈KM5Q0.1停止控制按钮SB2I0.5原位指示信号灯HLQ0.5手动SB5I0.6自动SB6I0.7手动夹紧SB7I1.0手动放松SB8I1.1左移SB9I1.2右移SB10I1.3上升SB11I1.4下降SB12I1.53.4机械手程序设计为了使程序结构简单明了，我把手动程序和自动程序分别编成相对独立的子程序模块，通过调用子程序进行选择。当工作方式为手动方式时I0.6接通，执行手动子程SBR0；当工作方式为自动方式时I0.7接通，执行自动子程序SBR1。机械手控制程序梯形图如图3.2所示。图3.2主程序梯形图（1）手动控制程序手动操作不需要按工作顺序动作，可以按普通继电器接触器控制系统来设计。手动控制程序如图3.3。手动按钮分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各个动作。为了保持系统安全运行，设置了互锁保护。图3.3手动控制程序（2）自动控制程序当转换条件满足时，便从上一步自动转到下一步。对于机械手的夹紧和放松的控制，本题是采用定时器T37控制夹紧时间，T38控制放松时间。其工作过程如下：网络1机械手处于原位，当上限位和左限位开关闭合，I0.2、I0.4接通,Q0.5输出原位显示。网络2按下启动按钮，I0.0接通,Q0.5失电Q0.0得电机械手下降。网络3下降至下限位开关时，下限位开关闭合I0.1接通，Q0.0失电机械手停止下降Q0.1得电机械手夹紧。网络4Q0.1得电同时定时器T37得电延时2秒机械手夹紧2秒。网络5延时时间到T37辅助触点闭合Q0.2得电机械手上升。网络6上升至上限位开关时，上限位开关闭合I0.2接通，Q0.2失电机械手停止上升Q0.3得电机械手右移。网络7右移至右限位开关时，右限位开关闭合I0.3接通，Q0.3失电机械手停止右移Q0.0得电机械手下降。网络8下降至下限位开关时，下限位开关闭合I0.1接通，Q0.0失电机械手停止下降Q0.1失电机械手放松。网络9Q0.1失电同时定时器T38得电延时2秒机械手放松2秒。网络10延时时间到T38辅助触点闭合Q0.2得电机械手上升。网络11上升至上限位开关时，上限位开关闭合I0.2接通，Q0.2失电机械手停止上升网络12、13当I0.5闭合时中间继电器M0.0得电并保持自锁，M0.0辅助触电闭合传送指令把0传送给输出机械手停止。自动控制梯形图如图3.4。图3.4自动控制梯形图3.5机械手系统控制流程以PLC为基础机械手系统程序设计比较简单，笔者通过长期的研究与实践，向大家系统的阐述了以PLC为基础机械手系统程序的运作流程。首先，以手动方式迅速回到原点。手动方式回原点主要分为三个程序，程序一对机械手底盘的顺时针旋转运动进行控制。程序二臂手臂的回缩运动进行控制[7]。程序三对机械手的立杆的上升进行控制。下面以第一段程序为例系统的阐述一下工作原理[8]。程序一主要是对机械手的底盘的顺时针运动进行控制，这种方式能够使机械手底盘迅速地停止顺时针运动。其次，直流电机的运行。直流电机主要应用于对底盘逆时针顺时针旋转运动以及手的放松与抓紧进行合理有效的控制。以下我们以底盘顺时针旋转运动为例，向大家阐述直流电机的运行程序。当机械手的缩限位开关、上限位开关、目的限位开关、松限位开关发生闭合的时候，机械手底盘顺时针旋转运动就开始了，当底盘触及原点限位开关的时候，机械手底盘顺时针旋转运动就结束了。最后，步进电机的可调速运行[9]。3.6PLC程序的上载和下载（1）PLC程序的上载所谓PLC程序的上载,就是把PLC中的程序读入到计算机中,其操作步骤如下：通信电缆的连接。应使用编程转换接口电缆SC－09连接好计算机的RS－232C接口和PLC的RS－422编程器接口。端口设置。选择“PLC”菜单下的“端口设置”菜单命令，可选择计算机与PLC通信的RS－232C串行口（COM1~COM4）和“传送速率”（9600或19200bit/s）。程序上载。选择“PLC”菜单下的“传送”子菜单中的“读入”，就会弹出如图3.5所示的“PLC类型选择对话框”，选择实际型号的PLC类型后，点“确定”按钮后，将PLC中的程序读入到计算机中。图3.5程序读入PLC类型选择对话框（2）PLC程序的下载所谓PLC程序的下载，就是把计算机中的程序写入到PLC中，其操作步骤是“通信电缆的连接”和“端口设置”，同“PLC的程序的上载”中的步骤1和2。而PLC程序的下载的操作步骤是：在执行下载功能时，首先应将PLC上的主机开关拨在“STOP”位置，如果使用了RAM或EEPROM存储器卡，其写保护在处于关断状态。选择“PLC”菜单下“传送”子菜单中“写出”，将计算机中的程序发送到PLC中，在弹出的窗口中选择“范围设置”，如图3.6所示，可减少写入所需的时间。图3.6程序写出对话框另外，执行菜单命令“PLC——传送——校验”是用来比较计算机和PLC中的顺序程序是否相同。如果二者不符合，将显示与PLC不相符的指令的步序号。选中某一步序号，可显示计算机和PLC中该步的序号指令。3.7机械手系统调试（1）硬件调试一般情况下系统调试会有两个部分，一是硬件方面的调试，二是软件方面的调试。在硬件调试过程中，需要检查各个按钮。开关等方面是否正常运转，另外还要检查相应的机械机构以及机械手是否碰触到相应的其他物体，防止出现卡死、打滑的