机械手臂的控制设计

1、目录1引言12操纵器概述22.1机器人的概念和分类22.2机器人的整体结构22.3机器人的工作原理22.4机器人的操作方式33机器人手的动作方式43.1手动动作方式53.2自动程序63.2.1单周期动作方式73.2.2单步动作方式73.2.3连续动作方式73.3自动原点复归84 plc的i/o分配105 plc的外部配线图116结语12参考文献13附录141引言工业机器人是现代自动控制领域出现的新技术，是现代控制理论和工业生产自动化实践相结合的产物，已成为现代机械制造生产系统的重要组成部分。 工业机器人是生产过程自动化、劳动条件改善、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。 尤其在高温、高压、粉

2、尘、噪音及放射性和污染性方面应用最广泛。 在我国，近年来发展迅速，取得了一定的成果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。机器人手也被称为机器人手。 机器人主要由手、运动机构、控制系统三大部分组成。 手部把持工件的零件根据把持对象物的形状、尺寸、重量、材料和作业要求有各种结构形式。 例如把持型、把持型和吸附型。 运动机构使手进行各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，使把持对象物的位置和姿势发生变化。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式被称为机器人的自由度。 为了抓住空间中的任意和方位的物体，需要6个自由度。 自由度是机器人设计的重要参数。 自由度越大，机器人的灵活性越大，通用性越广，其结

3、构也越复杂。 一般的机器人手有23自由度。机器人手的种类根据驱动方式分为液压式、气压式、电动式、机械式机器人手的适用范围，分为专用机器人和通用机器人两种的运动轨迹控制方式有点控制和连续的轨迹控制机器人。2机器人手的概要2.1机器人的概念和分类这是模仿人和手臂的动作功能，以一定的顺序抓住东西和操作工具，搬运的自动操作装置。 它代替了人的繁重劳动，实现生产机械化和自动化，在有害环境下操作，保护人身安全，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机器人一般分为三种。 第一个是不需要手动操作的通用机器人，是不附属于某主机的独立装置。 它可以根据任务的需要制定程序，完成各规定的工作。 其特征是

4、除了通常的机器的物理性能之外，还具有通用机器、存储智能的三维机器。 二是需要手动操作，称为操作机。 起源于原子、军事工业，首先用操作机完成特定的作业，之后发展成用无线电信号操作机器人来探测月亮、火星等。 第三类是专用机器人，主要附属于自动机床或自动在线，解决机床上下材料和工件的输送。 这是专用的，因为它向主机提供服务，由主机驱动，除了少数情况外，工作流通常是固定的。 本项目要求设计的机器人模型可以分为第一类，即通用机器人2.2机器人的整体结构本文设计的机械手主要包括机械手的旋转、手臂的伸缩、手臂的升降、手柄的张力。 各关节采用电磁阀作为驱动装置，在机械动臂的伸缩和臂的升降和把手的张力上搭载了传

5、感器，制作出满足运动控制要求的软件，实现了机器人的速度、位置及4关节的联动控制。机器人手主要由手和运动机构构成。 手部是用于把持工件(或工具)的部件，根据把持对象物的形状、尺寸、重量、材料、作业要求，有把持型、把持型、吸附型等各种结构形式。 运动机构使手进行各种各样的转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变把持对象物的位置和姿势。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式被称为机器人的自由度。 为了抓住空间中的任意位置和方位的物体，需要6个自由度。 自由度是机器人设计的重要参数。 自由度越大，机器人的灵活性越大，通用性越广，结构也变得复杂。 一般的专用机器人有23自由度。2.3机器人

6、的工作原理机器人在生产线上的作用是将工件从a输送到b。 根据外界的状况，机器人在空间中主要进行机器人下降，机器人抓住工件，机器人和工件上升，机器人和工件向右移动，机器人和工件下降，机器人放松工件，机器人上升，机器人向左移动的动作。 控制器检测上、下、左、右限位开关的接通断开，决定当前动作，通过驱动系统输出来控制机器人的动作。2.4机器人的操作方式机械手的操作方式分为手动、原点复归、单步、单循环、自动5种动作方式，5种动作不仅可以分别独立动作，而且还可以依次实现他们之间的相互转换，在转换过程中维持中原状态，转换后以新的动作方式进行(1)手动：选择手动方式，按手动按钮结合限位开关，分别控制各动作。

7、例如，按下机器人下降按钮时，机器人下降，松开机器人按钮时，机器人不会下降，或者到达后，机器人不会下降，机器人只能在左限位和有限位置下降。(2)原点复位：选择原点复归方式，按下原点按钮后，机器人手以最快最安全的路径返回原点位置并停止。 例如，机器人手没有夹着物体时，以最快的路径返回原点位置，机器人手必须夹着物体输送到b点，返回原点位置。(3)步骤：选择步进方式，按下开始按钮，机器人动作1步后自动停止。(4)单周期：选择单循环方式，按下开始按钮，机器人动作1个循环后自动停止，动作中，按下停止按钮，机器人马上停止，按下启动按钮，机器人继续动作，机器人继续动作，1个循环后自动停止。(5)自动：选择自动

8、方式，如果在机器人以启动方式旋转重新开始的动作中按下停止按钮，机器人不会立即停止，直到现在的1个周期结束为止都不会停止。3机器人的工作方法在主程序中，sm0.0的常开接点保持闭合，实用程序无条件执行。 在手动方式中，i2.0为on，执行手动子程序。 在自动原点复归方式中，i2.1变为on，执行原点复归子程序。 在其他三种工作模式下执行自动子程序。 主程序如图3-1所示。图3-1主程序图实用程序用于处理以各种工作方式执行的任务和在不同工作方式之间切换的处理。 如图3-2所示。图3-2切换处理图3.1手动动作方式手动动作方式中，i0.5i1.2对应的6个按钮，分别独立控制机器人的升降、左行、右行、

9、夹紧、解除夹紧。 图3-3是手动程序。图3-3手动步骤图为了保证系统的安全运行，设置了手动程序所需的联锁1 )设定上升和下降之间左行和右行之间的联锁，防止反功能的2个输出同时on。2 )通过限位开关i0.1i0.4的常闭触点来限制机器人的移动范围。3 )上限位置开关i0.2的常开接点与控制左、右行的q0.4和q0.3的线圈串联连接，机器人上升到最高位置后左右移动，防止机器人在低位置与其他物体碰撞。4 )只有机器人手在最左边或最右边时才允许工件上升、下降、释放。3.2自动程序机器人手在最上面和最左边，夹紧装置脱落时，系统称为原点状态。 进入自动(单步、单步、连续)动作模式前，系统处于原点状态，若

10、不满足该条件，请选择原点复位动作方式，按下开始按钮i2.6，则自动复位到原点状态。 在原点状态下，顺控功能图的初始步m0.0为on，准备进行单循环、连续、单步动作方式。单周期、单步和连续三种操作方法主要由连续标记m0.7和转换允许标记m0.6来区分。 自动程序如附录1所示。3.2.1单周期动作方式单循环动作方式中，在初始状态下按下开始按钮i2.6后，从初始步骤m0.0起，机器人按照顺序功能图的规定完成1个循环的动作后，返回到初始步骤剩馀。在单周期动作方式中，i2.2(单步)的常闭触点闭合，m0.6的线圈通电，允许转换。 如果满足原点条件，在初始步时按下开始按钮i2.6，则在m2.0的开始电路中

11、，m0.0、i2.6、m0.5和m0.6的常开接点全部接通，m2.0的线圈通电，系统进入下降步，q0.0的线圈通电在接触到下限位置开关i0.1时，钳位步m2.1、q0.1被设置，钳位电磁阀的线圈被通电并被保持。 同时，开启延迟计时器t37的开始定时，1s后直到工件被夹紧为止的定时时间满足切换条件t37，移至步骤m2.2。 今后，系统将像这样一步一步地继续工作。 在左行步骤m2.7中，机器人向左行回到原点位置后，左限位开关i0.4变为1状态，连续动作标志m0.7为0状态，因此返回m0.0，机器人的动作停止。3.2.2单步动作方式在单步工作方式中，i2.2为1状态，其常闭触点断开，切换在辅助继电器

12、m0.6通常情况下为0状态，不允许步骤和步骤之间的切换。 把初始步系统设为原点状态，m0.5和m0.0设为1状态，按下开始按钮i2.6，m0.6变为1状态，m2.0的开始电路接通，系统进入下降步。 释放开始按钮后，m0.6变为0的状态。 在下降步骤中，q0.0线圈通电，下限位开关i0.1变为1状态时，与q0.0的线圈串联连接的i0.1的常闭触点断开，q0.0的线圈断开，机器人的下降停止。 i0.1的常开触点闭合后，如果不按下开始按钮，i2.6和m0.6将变为0的状态，不转移到下一步。 直到按下开始按钮为止，i2.6和m0.6变为1状态，m0.6的常开接点接通，移位条件i0.1为m2.1的开始电

13、路接通，对m2.1的线圈通电并自我保持，系统从步骤m2.0进入到步骤m2.1。 然后，在完成某步骤的操作后，需要按下开始按钮，系统会移至下一步。3.2.3连续动作方式在连续动作方式中，i2.4为1状态。 如果在初始步为活动步时按下开始按钮i2.6，m2.0变为1状态，机器人下降。 同时，对控制连续动作的m0.7线圈通电，并自我保持。当机器人手在步骤m2.7中返回最左侧时，i0.4为1状态，连续的标志位m0.7为1状态，因此满足转变条件m0.7*i0.4，系统返回步骤m2.0，重复连续的工作。3.3自动原点复位在原点复归动作模式下，i2.1。 按下开始按钮i2.6，机器人手有可能处于任意状态，根

14、据机器人手放置的位置和夹紧装置的状态，如图3-4所示，分为三种情况一个表示夹紧装置脱落，机器人没有把持工件，应该通过上升和左行，直接返回原点。二是夹紧装置处于夹紧状态，机器人位于最右边时，q0.1和i0.3均为1状态，将工件输送到b点返回原点位置。第三个是夹紧装置处于夹紧状态，机器人不能向右伸出时，q0.1为1状态，右限位开关i0.3为0状态，首先上升、右行、下降、释放，将工件输送到b点，返回原点位置。图3-4机器人所在位置和夹紧装置的状态图4 plc的i/o分配i/o模块有数字量输入、数字量输出、模拟输入、模拟输出4种。 cpu分配给数字i/o模块的地址以字节为单位，1字节由8位数字的i/o

15、点构成。地址的分配必须遵循以下三项原则1 )按顺序地址同种类型的输入或输出点的模块数2 )如果一个模块的数字容量i/o点不是8的整数倍，则未在最后一个字节中使用的比特不被分配给后续模块3 )模拟扩展单元各分配2点4字节的地址。5 plc的外部接线图s7200采用0.51.5平方毫米的导线，尽量成对使用导线，将交流线、电流大变化快的直流线和弱点信号线分离，在噪声严重的情况下必须设置浪涌抑制设备。使用相同的电源，具有相同基准点的电路，其基准点只能有一个接地点。 cpu将向传感器和输入电路供给电力的dc24v电源m端子接地，由此能够提高噪声抑制能力。 其外部布线图如图5-1所示。图5-1外部配线图6

16、结语基于plc的机器人手臂课程设计花了一周时间，首先应该给自己每天的任务，每天完成一些事情，效率高又有成果。写梯子时有很多不明白的事情，在老师和同学的帮助下，我顺利地完成了这个课程的设计。 本来我觉得对可编程控制器原理的知识学习比较好，但是在上课设计时才发现自己有很多不足，其中有很多基础知识不完善，很多知识的学习不充分，面对一些疑问只有自己不能完成，往往把这里课程设计是理论和实践的过程，光靠理论是不够的，更重要的是手的操作能力，是我们设计的实物。 这是我们仔细考虑问题，周密，不可疏忽。 在设计的同时，要加强我与老师的交流，认识到知识的深度。 衷心感谢教育指导的老师和同学。 本次课程设计通过集中目的地查找资料，理解电子相关资料，增加了自己的知识面，补充了自己的应用能力和实践能力。 起到了复习学过的教科书理论知识的作用。机械臂的搬运加工采用plc，控制核心结构合理，测试方法可靠，