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1、-多关节工业机械手PLC控制系统设计毕业论文-第 16 页长 春 工 业 大 学毕业设计、毕业论文题 目 基于PLC的多关节机械手 电控系统设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解
2、大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具机械手。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤
3、害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。本文对多关节工业液压机械手的结构进行了详细研究。关键词：三自由度 机械手 PLC系统AbstractAs s
4、ociety and the development of science and technology，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolved into automatic and intelligent mode of production and human also gradually unable to complete some production process, so
5、in order to adapt to the needs of the production of the appeared special production tools - manipulator. Meanwhile also appeared a few new production activities in these production activities, some are belong to high risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just,
6、 manipulator to meet this kind of work. In todays large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, industrial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterpr
7、ise recognizes and adopted. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot main bearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally t
8、ake the reappearance of the demonstration teaching way. Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to realize the acquirement, handling and operation of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic st
9、ructure of the manipulator are studied.Keywords: three doff manipulator PLC system目 录第1章 PLC概述11.1 PLC的定义11.2 PLC的由来及发展21.3 PLC的特点及用途31.3.1 PLC具有以下几个主要特点31.3.2 可编程控制器的应用领域41.4 PLC的主要技术指标4第2章 机械手简介62.1 控制系统的功能要求62.1.1 机械手结构6第3 章 硬件系统设计93.1 PLC的选型103.2 PLC 的I/O资源配置113.3 其他资源设置14第4 章 软件系统设计164.1 各个模块梯形
10、图设计16总 结31致 谢33参考文献34附录1：基于PLC的多关节机械手控制系统原理图35附录2；基于PLC的多关节机械手控制系统程序清单36第1章 PLC概述1.1 PLC的定义可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，所以美国电气制造商协会将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller）,简称PC。但是个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，将用于逻辑控制的可编程控制叫做PLC（Programmable Logic Controll
11、er）.PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它其实就是一台计算机，它采用可以编制程序的存储器，在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，它以接入式CPU为核心，通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备，都是很容易与工业控制系统形成一个整体，容易扩展其功能的。可编程控制器是一种工业现场用计算机。它是为工业环境下应用而设计的，工业环境一般办公环境有较大的区别。由于PLC的特殊构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制机械或生产过程，它要能很容易的与工业控制系统
12、形成一个整体，这些都是个人计算机无法比拟的。可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它能控制各种类型的工业设备及生产过程。它的功能能够很容易地扩展，它的程序是可以根据控制对象的不同，让使用者来编制的。也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合。通过以上定义还可以了解到，相对一般意义上的计算机，可编程控制器不仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制计算机。从另一个方面来说，它是一种通用机，经过二次开发，它可以在任何具体的工业设备上使用。它在很大程度上使的工业自动化设计从专业
13、设计院走进工厂和矿山，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在短短的30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制领域获得了非常广泛的应用。1.2 PLC的由来及发展1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），在美国通用汽车公司的自动装配线上使用，取得了巨大的成功。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特
14、征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的
15、统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人
16、机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。1.3 PLC的特点及用途 1.3.1 PLC具有以下几个主要特点1. 可靠性高、抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。PLC的平均无故障时间可高达510万小时以上。从PLC的机外电路来说，PLC
17、构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。2.功能完善、应用领域广到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。PLC所具有的完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯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的非常容易。3.编程简单，易学易用PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的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。在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本对PLC进行编程
18、。当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。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提供了方便。4.系统安装简单、体积小、价格低PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC的价格也越来越低。1.3.2 可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输
19、、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类：1.开关量的逻辑控制可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。2.模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。3.运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制
20、模块。4.过程控制过程控制是指对连续变化的量进行控制。如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。1.4 PLC的主要技术指标PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。1.编程语言及指令功能用户的PLC程序可以用梯形图语言、指令标语言、功能块图编写，梯形图语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。现在功能图语言的使用有上升趋势。编程语言中还有一个内容是指令功能。衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中
21、有多少综合性指令。一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。2.输入输出点数输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。3.扫描速度数扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。4.存储容量存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用k来表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中
22、间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。5.可扩展性在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。主要包括：（1）输入输出点数的扩展；（2）存储容量的扩展；（3）联网功能的扩展；（4）可扩展的模块数；另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。第2章 机械手简介多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中，关节多是以其中一个特点，正是由于关节多，所以它的抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状、不
23、规则工件的抓握。多关节机械手有多种结构，其中最理想的也是应用最多的就是类似于人手的结构，这样的结构能模拟人手抓物体时的情况。与传统的机械手相比，多关节机械手具有动作灵活，运动惯性小、通用性强、能抓取靠近基座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作等优点。2.1 控制系统的功能要求传统的机械手采用继电气控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法满足机械手控制的需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点，能够完成动作要求精度高的工作。2.1.1 机械手结构以轴承装配为例：轴承装配是轴承生
24、产过程中的最后且极为重要的环节，而轴承压盖机则是装配先上较为复杂的部分。本节讲述的是利用机械手在轴承装配线上，通过PLC控制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压盖机完成压盖的整个过程。图2-1是某以生产线上机械手的工作示意图。图2-1 机械手的工作示意图该机械手在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带1转移至传送带2上，然后将盖放置于轴承之上，最后经压盖机加工，完成轴承装配的一部分加工。整个工作过程机械手包括以下动作：手臂上升手臂下降手爪抓紧手爪放松手臂左旋手臂右旋多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机
25、械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制机械手臂的上升和下降。多关节机械手的工作过程如图2-2所示：手爪放松传送带2手臂下降启动手臂上升手臂抓紧手臂下降传送带1手爪抓紧手臂右旋手臂上升图2-2 多关节机械手简单工作过程示意图1.手臂上升：使机械手相对于工作台向上移动，提高它的高度，以满足抓取工件的高度要求。2.手臂下降：使机械手相对于工作台向下移动，降低它的高度，以满足放置工件的高度要求。3.手爪抓紧：使机械手抓紧工件，以便完成工件抓起的要求。4.手爪放松：使机械手放松工件，以便完成工件放松的要求。5.手臂左旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向左旋转，以便完成工件移动的要求。6.
26、手臂右旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向右旋转，以便完成再次抓取工件的要求。由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图2-3所示的机械手控制系统的功能框图。电气控制柜多关节工业机械手图2-3 多关节工业机械手控制系统的功能框图第3 章 硬件系统设计前面介绍了机械手的机械结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置需要的控制系统的硬件系统，按照控制系统的控制要求，设计出如图3-1所示的控制系统的硬件框图。在此系统中仅靠PLC主机是无法完成控制要求的，因此扩展了一个I/O和两个模拟量输入/输出模块，以及
27、两个光电开关和一个可控电动机，阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在气动系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。以下是控制系统的硬件框图3-1。控制按钮传感器传送带B电磁阀右旋限位开关左旋
28、限位开关下降限位开关右旋限位开关光电开关抓紧电磁阀上升电磁阀下降电磁阀左旋限位开关松开电磁阀上升限位开关PLC图3-1 控制系统的硬件框图3.1 PLC的选型根据系统控制要求并从经济性和可靠性等方面考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此机械手控制系统的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226等之分。三自由度工业机械手PLC控制系统总共有15个数字量输入，8个数字量输出，供需23点I/O口，根据I/O点数，选用了CPU224作为主机。 同时扩展一个I/O模块，选用EM223输入/输出混合扩展模块。EM223共6种模块，根据系统的
29、控制要求和资源需求，采用EM223模块中的4点输入/4出输出模块。 由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模拟量模块，全部选用EM235模块。模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。 EM223和EM235与PLC的连接不需要其他设置，只需要将排线插到主机及扩展模块的插槽上。3.2 PLC 的I/O资源配置根据控制系统的功能要求，对PLC进行I/O及其他资源的分配，具体分配如下。表3-1 数字量输入地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I0.0高速脉冲输入I1.1自动启动I0.1急停按钮I1.2上升限位开关I0.2手动
30、/自动I1.3下降限位开关I0.3手臂上升I1.4左旋限位开关I0.4手臂下降I1.5右旋限位开关I0.5手臂左旋I2.0传送带1光开关I0.6手臂右旋I2.1传送带2光开关I0.7手爪抓紧I2.2传送带2启动I1.0手爪放松I2.3压盖机启动表3-2 模拟量输入地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备ATW0传感器1ATW0传感器4ATW0传感器2ATW0传感器5ATW0传感器3表3-3 数字量输出地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0高速脉冲输出Q0.5抓紧电磁阀Q0.1上升电磁阀Q0.6松开电磁阀Q0.2下降电磁阀Q0.7传送带2继电器Q0.3左旋电磁阀Q1.0压盖机继电器Q0
31、.4右旋电磁阀根据系统的控制要求，硬件框图及I/O分配情况，三自由度工业机械手控制系统PLC控制部分的硬件接线如图3-2所示。高速脉冲输出上升电磁阀下降电磁阀左旋电磁阀右旋电磁阀抓紧电磁阀松开电磁阀传送带2继电器压盖机电磁阀高速脉冲输入急停按钮手动/自动手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓紧手爪松开自动启动上升限位开关下降限位开关左旋限位开关右旋限位开关传送带1光电开关传送带2启动压盖机启动I0.0I0.1 Q0.0 Q0.1I0.2I0.3 Q0.2I0.4I0.5 Q0.3 S7-200I0.6 CPU224 Q0.4I0.7 + EM223 Q0.5I1.0 I1.1 Q0.6I1.2
32、 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0I1.5 I2.0I2.1I2.2I2.3AIW0AIW2AIW4 EM235AIW6AIW8传感器1传感器2传感器3传感器4传感器5传感器2传感器3图3-2 多关节机械手控制系统PLC控制部分硬件连接图3.3 其他资源设置要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、光电开关、传感器及编码盘等仪器设备。1.各种限位开关在此系统中，共用了4个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关和右旋限位开关。限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。2.光电开关在传送带1和传送带2上各有一个光电开关，此开关的作用主要是指示工
33、件是否到位。传送带1上的光电开关用于检测工件是否已到机械手可操作的工位，若到位则传送带1停止，等待工件被取走；传送带2上的光电开关则置于压盖机处，当工件到达压盖机时，传送带2停止，对工件进行压盖操作，操作结束后等待下一个工作。3.传感器在此系统采用的是多关节机械手，由于要适应各种形状的工件，所以要在手指受力的部分安装压力传感器，将压力值转换为电压值传入PLC，然后进行判断，防止抓紧时压力过大对工件造成损坏。4.各种电磁阀此系统中机械手手臂的上升和下降是用气缸来实现的，使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降，相对于利用电机的正反转来实现升降，气缸控制简单方便。多关节机械手手爪的抓紧和松
34、开共用了4个电磁阀。5.各种继电器此系统中，传送带2并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况有控制机械手的控制系统来控制传送带2的工作与否，该在什么时候启动传送带，该在什么时候停止传送带。因此，就必须在传送带2的电动机部分装一个可以控制电动机运转和停止的继电器，再连接到PLC以控制接触器，最后达到控制目的。压盖机同样也不需要时时刻刻工作，因此在压盖机附近放置的光电开关，可以将工件到位的信号传至PLC，从而控制传送带2的停止，并且控制压盖机在工件到位的情况下工作。6.编码器在此系统中，需要对机械手进行精确定位，所以在手臂左右转动的时候，要将电动机反
35、馈的信号同PLC发出的信号做比较，以检测是否手臂准确到位。7.各种按钮急停按钮采用带锁的，常闭触点，按下后旋转复位；手动/自动按钮采用旋钮，一边常闭，一边常通；其余按钮均采用触点触发方式，按下即接通，松开即复位。第4 章 软件系统设计图4-1 多关节机械手控制系统流程图4.1 各个模块梯形图设计当软件总体流程图设计完成后，就需要对各个控制过程进行分解细化，这样在程序便携式就会简洁明了，最后联合起来调试也便于发现问题。当控制过程特别复杂的时候，采用模块化设计，就显得尤为重要。采用模块化的设计，调试时先调试摸个模块的功能，可以及早发现问题，到最后联调试若出现问题就可以很快找出原因及时解决。程序中用
36、到的元件及设置如表4-1所示。表4-1 元件设置编号意义内容备注M0.0急停标志on有效M0.1手动标志on有效M0.2自动标志on有效M1.0机械手上升标志on有效M1.1手臂左旋标志on有效M1.2机械手下降标志on有效M1.3手爪抓紧工件标志on有效M1.4机械手上升标志on有效M1.5手臂右旋标志on有效M1.6机械手下降标志on有效M1.7手爪松开标志on有效M2.0机械手上升标志on有效M2.1手爪抓紧工件标志on有效M2.2机械手下降标志on有效M2.3手爪松开端盖标志on有效M2.4传送带2启动标志on有效M2.5压盖机启动标志on有效T37一个循环结束后等待的时间101sVW
37、01#传感器值存储单元VW22#传感器置存储单元VW43#传感器置存储单元VW64#传感器置存储单元VW85#传感器置存储单元VW10抓取工件的标志压力值存储单元VW20抓取盖端的标准压力值图4-1 多关节机械手控制系统流程图由于机械手的控制过程是按顺序执行的，所以在程序编写的时候采用顺序控制指令。多关节机械手控制系统梯形图如图4-3所示。图4-3 多关节机械手控制系统梯形图如图4-3所示的是控制系统的主程序，如图4-3（a）所示中主要是对高速计数器和高速脉冲输出进行初始化。对于高速计数器，选用高速计数器HSC0，工作方式为模式0，输入口为I0.0。设置HSC0的功能为：复位与启动输入信号都是
38、高电位有效、4倍计数频率、计数方向为增计数、预设脉冲为10000个、允许更新双子和执行HSC指令。对于高速脉冲输出控制，设置为脉冲输出方式，输出口为Q0.0。脉冲的输出设置为多段管线输出，本例中采用3段输出，写控制字到特定存储器中，完成设置的功能为：时间基准为s级、不允许更新周期和脉冲数。由于是多段输出，所以还需要简历包络表，对3段脉冲周期、数量进行设置，多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图如图4-4所示。图4-4 多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图手臂的左右旋转采用步进电机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用到高速计数器和高速脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，如果相
39、等，则定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后达到设定的位置上。如图4-4表示的是对步进电机的脉冲输出控制，本例采用3段脉冲输出，由于步进电机本身的特性，启动频率不宜太高，所以在启动阶段输出的脉冲周期为500ms，且周期逐步减少，缓慢提高其输出脉冲频率；在第二阶段，输出脉冲周期为50ms，在这个阶段手臂的移动是最快的，当达到设定位置的时候，同样不可以突然是频率降低到0，需要逐渐降低脉冲的频率值，所以第三阶段的脉冲周期为200ms，电动机逐步减速，达到设定位置后可能可靠停止。图4-5 多关节机械手控制系统传感器值1处理子程序梯形图图4-6 多关节机械手控制系统传感器值2处理子程序梯形图 如图4
40、-5所示多关节机械手控制系统传感器值1处理子程序梯形图和4-6所示多关节机械手控制系统传感器值2处理子程序梯形图，都是针对传感器采集到的值传到PLC处理的子程序，由于机械手爪在每次加工过程中，都需要移动两个工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防止抓紧力过大，对工件造成损坏，设置两个不同的压力对比值。在此小节中，完成了PLC软件系统的所有设计，程序包括：控制系统的主程序、对高速脉冲输出和高速计数器进行初始化设置的子程序和处理传感器返回值的子程序。在主程序中，主要采用了顺序控制指令。在多关节机械手的工作过程中，机械手爪是严格按照一定的顺序运行的，采用顺序控制指令能够非常方便地按照工艺的流
41、程进行设计，当下一个动作开始执行时，前一个动作中的所有元件全部复位到初始状态，减少出现误动作的概率。总 结机械手的出现延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。随着科学技术的发展和PLC在工业生产过程中的广泛应用，机械手技术方面的研究不断得到创新，促使成果不断涌现。本论文的设计主要取得了以下成果：1.对物料分拣机械手的结构形式、驱动装置、控制系统等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。2.气动驱动系统是强的非线性系统，其根本原因是空气具有可压缩性，使得系统中存在流量
42、饱和效应，非线性摩擦力等因素，实现气缸的精度定位非常困难。因此在其应用中，要对各参数进行调定，以达到比较理想状态。3.机械手的控制系统采用了技术性、可靠性非常高的PLC进行控制。这使得机械设备更加灵活，动作准确，易于维护，劳动生产率大大得到了提高。各种操作方式自由切换，满足了各种生产要求。本课题在完成了机械结构设计的基础上，对物料分拣机械手的驱动系统和控制系统进行了设计。由于时间的限制以及机械手的结构比较复杂，有些问题需要进一步的研究：1.对机械手各部分连接方式的改进。本机械手结构具有模块式的特点，但由于考虑节约成本等因素，采用标准的单活塞杆双作用气缸，加导向装置的结构。各部分不能实现任意方式
43、拼装，通过各种过渡连接件，使各个部分可以自由拼装。2.气动驱动改进在气动驱动系统方面存在一个固有的弱点，仅采用古典的反馈控制很难得到高精度位置和力等的控制。所以，在气动驱动系统的控制方法上，广泛地引入现制理论和智慧控制等方法是其特征之一。神经网络是一大规模并行分布处理非线性动力学系统，适用于强非线性的气动机械手的控制。虽然还有很多尚未解决的问题有待于继续研究，但相信PLC控制的物料分拣机械手的研究是非常有新意、有意义的，有着广泛的应用前景。致 谢本文是在孙颖教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究方案的实施到论文的撰写和修改无不凝聚着导师大量的心血。孙颖教授渊博的理论知识和实践知识，创造性的
44、思维方式及严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风给我带来很多的启迪和教诲。在此，特向孙颖教授表示最衷诚的感谢!大学的学习生涯即将结束，这次毕业设计也将给这四年的学习划上一个圆满的句号。在这段难忘的时光里，我不断地汲取着知识的营养，感受着校园浓厚的学术氛围，不但在学习上有很大的提高，在自身修养和综合素质上也有了明显的进步。在这里我首先要感谢我的导师孙颖教授。在毕业设计的课题选择方面，孙教授根据我今后就业的实际情况，为我制定了设计方向。在接下来的设计过程中，孙教授时刻指导着我，为我提供了很多难得的学习机会和宝贵的资源以及为人处事的方法，是孙教授指出我学习上的不足之处，让我的知识更加系统、全面。总之，没有孙教授的倾力的指导，支持和鼓励，就没有我现在的进步和四年来的成长。感谢在本次设计中给过我帮助，指导过我的老师和同学，他们有的解决了我技术上的疑问，有的给我提供了设计中需要的工具和器材。正是他们无私的