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1、-范文最新推荐- 基于PLC的机械手控制系统设计+仿真图 摘要：在工业生产中，常遇到有毒、高温、放射性、危险、笨重、多粉尘等恶劣的工作环境，严重影响劳动者的身体健康，应用机械手代替人工在恶劣环境中作业，可以解决这些问题，它的目的和实用价值都是明显的。整个设计采用可编程控制器(PLC)控制，由时间继电器检测电机旋转度数，并传送给PLC，经其分析处理，输出控制信号，从而协调机械手的四个自由度，伺服电机驱动机械手手臂的运动方向和手爪的开合，从而完成在空间中抓放物体。通过仿真调试最终完成了产品的设计，结果表明设计出的机械手可以实现在空间中搬运物体的功能。4767关键词：机械手；PLC；四自由度The
2、Design of Manipulator Control System Based on PLCAbstract: In industrial production, often encounter working environment temperature, toxic, radioactive, hazardous, bulky, dust and other harsh, seriously affected the health of the workers, application of manipulator instead of manual work in the bad
3、 environment, these problems can be solved, its purpose and the practical value is obvious. The design adopts PLC control, by the time relay test motor rotation degree, and transmitted to the PLC, through its analysis and processing, the output control signal, thus coordinating four degrees of freed
4、om of the manipulator, servo motor drives the movement direction of the manipulator arm and gripper opening and closing, which is to complete catch put objects in space. Through the simulation debugging finally completed the design of the product; results showed that the design of the manipulator ca
5、n realize the function of moving objects in space.目录摘要1引言11.绪论21.1课题研究的目的及意义21.2国内外机械手的研究现状2 由于自动化可以节省大量的物力、人力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如实用性强、编程方法简单易学、硬件配套齐全、通用性好，因此工业领域中广泛应用可编程序控制器(PLC)。机械手在加拿大、美国等国家应用较多，如用装配生产线上应用智能机器人、果实采摘机械手来摘果实等。我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少，本文设计的机械手就是通过PLC来实现自动控制的。通过此次设计可以了解世
6、界先进水平，更进一步学习PLC的相关知识，尽可能多的应用于实践。1.2.2 机械手的分类机械手一般分为三类。第一类是一种独立的不附属于某一主机的装置，不需要人工操作的通用机械手。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备记忆智能、通用机械的三元机械。第二类称为操作机，需要人工的操作。它起源于军事工业、原子，先是通过操作机来完成特定的目的，后来发展成用无线电信号操作机械手来进行火星、月球探测。第三类主要附属于自动机床或自动线上，用于解决工件传送和机床上下料，这种机械手在国内称为专用机械手，在国外称为“Mechanical Hand&
7、rdquo;，它是由主机驱动，为主机服务的，工作程序一般是固定的，少数除外，因此是专用的。本文设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手3。1.2.3 机械手的机构构成执行构件包括躯干、手部和手臂。躯干是安装动力源、手臂和各种执行机构的机架。手臂前端安装手爪，可以开闭手指、转动。机械手的手爪系统是模仿人的手指的构造进行设计的，分为固定关节、自由关节和无关节等三种类型。手指的数量可根据要求设计为四指、三指、二指等，三者中又以二指应用最为广泛。依据支持对象的大小和形状配备多种尺寸和形状的夹头，以满足操作的要求。本文采用二指的设计。手臂起到引导手爪精确抓住工件，并运送到所需要的位置上的作用。为了让机
8、械手能够精确地工作，手臂的四个自由度需要进行精准地定位。总而言之，机械手的工作离不开转动和直线移动二种。 1.3 课题研究的内容本课题主要研究的是基于PLC的机械手控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制PLC程序实现对机械手模型的自动控制，完成既定动作。下图所示为机械手将一个工件由一处传送到另一处。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作且运行方式分为单步，单周期，连续三种模式。机械手动作分解示意图如图2所示：图2 机械手动作分解示意图(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
9、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)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，以便返回原位，重复开始下一周期。2. 机械手控制方式的选择2.1 机械手构件概述本论文设计的四自由度机械手由底座、一号电机齿轮、左右支梁、中心直齿轮、第一臂右板、夹持器活动节、夹持器固定节、四号电机、三号电机、二号电机、一号电机和转动底座组成。机械手整体结构如图3所
10、示。其中1是底座，2是一号电机齿轮，3是中心直齿轮，4是右支梁，5是第一臂右板，6是夹持器活动节，7是夹持器固定节，8是四号电机，9是三号电机，10是二号电机，11是一号电机，12是转动底座。物体在三维空间内的运动或静止位置是由围绕三轴旋转的角度和三个坐标来决定的，所以，手爪抓取物体的方向和位置能从这里得到。 其中带动手臂旋转并能支撑机械手的全部重量的机构是底盘。底盘采用舵机驱动，同时，在底盘上装有限位开关，旋转角度最大可达到180度。手臂是机械手的主要部分之一，它是支撑工件、手爪让它们运动的支撑机构。本设计手臂由竖轴和横轴两部分组成、可完成升降、伸缩的动作。手臂采舵机带动螺母、丝杠来完成升降
11、和伸缩的动作。由可编程控制器发出信号从而控制步舵机运转，同时在纵横轴的两端分别加限位开关限位。采用螺母、丝杠结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高，传动效率较高。2.1.3 机械手驱动本论文对于机械手的关节驱动机构选用舵机驱动，选择电机的一个重要参数就是驱动功率。例如计算一号电机的功率步骤如下，首先采用公式为(1)和(2)简化已设计好的机械手模型。假设手臂的简化质量为 =5.0kg，重物的质量为 =5.0kg，机械系统其它转动件的质量为 =5.0kg，总质量为m= + + =15.0kg，手臂简化长度为L=200mm=0.2m，近似得到转动惯量为J=15×0.22=0.6kgm2。
12、设电机经减速后作用在机械手臂上的转速为n=20r/min即ω=2.094rad/s，电机自身的角速度为ω=6.28rad/s， =0.5×0.6× =1.315W。通过计算可以得出MG996R舵机的驱动功率恰好适合本文设计的机械手。此款机械臂的动力系统采用金属齿轮的大扭力舵机。机械臂伸展时，手臂的回转半径可以达到355mm，如果舵机的扭力不够大，机械臂会剧烈抖动，甚至会烧坏舵机，所以在机械臂的重要受力关节采用大扭力的金属齿轮舵机。MG996R舵机的扭力非常大，运行顺滑，噪音小，可以充当机械手臂的驱动。2.1.4 控制要求机械手的控制动作主要包括四
13、个步骤：(1)手臂进行上下的直线动作。(2)手臂进行左右的直线动作。(3)手爪夹紧动作。(4)机械手整体旋转动作。 2.3.1 PLC的结构PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。PLC硬件结构图如图4所示：图4 PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部
14、分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。2.3.2 PLC的特点可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。其主要原因是因为可编程控制器具有以下优点：(1)灵活、通用；(2)可靠性高、抗干扰能力强；(3)操作方便、维修容易；(4)功能强；(5)体积小、重量轻和
15、易于实现机电一体化。同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于单片机控制和继电器控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。2.4 控制方式的选定传统的机械手控制方式采用继电气控制，其维护困难、可靠性差、线路复杂等缺点，无法满足现代工业自动化对机械手控制的需求。而可编程控制器(PLC)的出现使得这类问题得到解决，PLC控制，具有编程简单、控制方便、结构简单、可靠性高、改造方便和功耗低的特点，能够满足现代工业自动化对机械手控制高精度的需求。所以本文所采用的机械手控制方式是可编程控制器控制。 同时扩展一个I/O模块，选用EM
16、223输入/输出混合扩展模块。EM223共6种模块，根据系统的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。3.3 PLC的I/O配置已知输入口有16个，输出口有6个。则可编程控制器的I/O分配表如表6所示：表6 PLC的I/O分配表编程元件I/O端子电路元件作用编程元件I/O端子电路元件作用输入口
17、I0.0SB1自动启动输入口I1.3SB6手动下移I0.1SB2单周期启动I1.4SB7手动左移I0.2SA手动启动I1.5SB8手动右移I0.3SB3停止I1.6SB9手动夹紧I0.4SQ1上移限位I1.7SB10紧急停止I0.5SQ2下移限位输出口Q4.0KM1目的地 图7 主程序5. 仿真与调试5.1 仿真及结果分析5.1.1 仿真软件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是一种虚拟样机分析软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，
18、其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线7。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析8。本设计所用的仿真软件就是ADAMS软件。ADAMS软件的界面如图8所示。5.1.2 机械手仿真利用ADAMS软件对设计的机械手的机
19、械本体进行动态仿真过程中，为了简化分析和计算，可以只保留关键部件，忽略无关零部件，以便于观察，仿真过程如图9所示机械手虚拟样机仿真结束后的生成曲线图如图10所示，机械手运动轨迹如图11所示。通过对机械手的运动仿真，分析生成曲线图和运动轨迹图，可以看到各个机械零件没有干涉发生，表明设计基本合理。前提条件是各个转动关节必须在一定的转动角度内转动，没有超程现象。可以通过限制各个关节即各转动副的驱动电机的转动角度来实现。5.2 调试首先按照设计的要求接好线，然后用电脑在编程软件中将编辑的梯形图写入软件中，再点击运行并对其指出的错误进行修改，修改完最终运行无误后将其下载到可编程控制仪器中，确定无误后按下
20、启动按钮。启动后发现上行、下行、左行、右行灯均同时亮且一直亮着，这样就不符合设计中八个动作依次有序进行操作的要求，务必对其进行修正。在这种情况下我采取了以下方案： (1)重复精度化：重复精度是指如果一个动作是重复的，机器的的准确度，在他达到相同的位置时。重复定位精度比准确性更重要的是，如果一个机器人定位不够精确，通常是一个固定的错误，这个错误可以预见，它可以通过编程纠正。重复精度限是一个随机的误差范围内，有一定数目的重复次数，以运行机器人来确定。伴随现代控制技术和微电子技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成型化，机械手的重复精度会逐渐提高，它的应用范围也将随之扩大，例如军
21、事工业以及核工业。(2)模块化：有的公司把简单的传输技术定义为带有系列导向驱动装置的气动机械手，而把现代传输技术定义为模块化拼装的气动机械手。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成气管、电接口及带电缆的导向系统装置，使机械手指如臂使。模块化气动机械手应用不同的模块使同一机械手具有不同的扩展功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。(3)无给油化：为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染的高标准要求，不供油、不加润滑脂润滑的元件已经面相市场。随着材料技术的日益进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅不污染环境，而且摩擦性能稳定、节省润滑油、系统简单、成本低、寿命长。我国对机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多机械手已经在汽车等行业为国家的发展发挥着举足轻重的作用。在不久的将来，机械手将在工业自动化生产中所占的比重会越来越重 基于PLC的机械手控制系统设计+仿真图(8): 19 / 19