《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目 機(jī)械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè) 0805班 10號(hào)學(xué)生姓名 . 指導(dǎo)教師 伍新 吳晨曦 .完成日期 2011年11月23日 .湖南工程學(xué)院機(jī)械工程系圖 011.4 設(shè)計(jì)任務(wù)項(xiàng)目一：本設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求：五自由度示教機(jī)械手自由度數(shù):5個(gè)；手臂旋轉(zhuǎn)角度360；大臂旋轉(zhuǎn)角度210；小臂旋轉(zhuǎn)角度210；手爪旋轉(zhuǎn)角度360；手指旋轉(zhuǎn)角度120。五自由度示教機(jī)械手采用力矩限制器限制旋轉(zhuǎn)力矩，編碼器、磁鐵霍爾傳感器限定旋轉(zhuǎn)角度。使用步進(jìn)電機(jī)控制各自由度的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確位置控制。摩擦輪副由步進(jìn)電機(jī)提供旋

2、轉(zhuǎn)扭矩，使整個(gè)手臂旋轉(zhuǎn)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；大臂的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；小臂的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶提供工作扭矩；指的開(kāi)合由步進(jìn)電機(jī)提供工作扭矩；腕的翻轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)及減速器提供工作扭矩；手爪的旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傘狀齒輪副提供工作扭矩?？刂葡到y(tǒng)采用plc控制，編制梯形圖程序。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案本課題要求采用五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有旋轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個(gè)具有五種動(dòng)作的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，并能夠模擬接近于人手臂的動(dòng)作。機(jī)械手的坐標(biāo)可以采用簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)型坐標(biāo)，因此對(duì)它的五種動(dòng)作需要作一些規(guī)定：（1）機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度。由上向下看，相對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的基準(zhǔn)線，順時(shí)針為正

3、，逆時(shí)針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（2）大臂的旋轉(zhuǎn)是相對(duì)于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（3）肘也是相對(duì)于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（4）小臂相對(duì)于肘的軸線旋轉(zhuǎn)，可在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；電機(jī)的選型（1）交流伺服電動(dòng)機(jī) 包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 （2）直流伺服電動(dòng)機(jī) 包括小慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。 （3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本課題中需要五臺(tái)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)上述電動(dòng)機(jī)因考慮其指標(biāo)、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺(tái)kinco86系列步進(jìn)電機(jī)、四臺(tái)kinco57系列三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（其

4、中兩臺(tái)技術(shù)參數(shù)為3s57q-04042,另兩臺(tái)技術(shù)參數(shù)為3s57q-04056），分別驅(qū)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)以及大、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)和手腕的俯仰活動(dòng)它們的主要參數(shù)如下表:型 號(hào)技術(shù)參數(shù)電機(jī)慣量(kg.cm )保持扭距(nm)電機(jī)長(zhǎng)度（mm）最大負(fù)載（n）kinco86系 列2s86q-051801.44.580220kinco57系 列3s57q-040420.10.54275kinco57系 列3s57q-040560.31.05656機(jī)械手的plc控制plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 1）分析被控對(duì)象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì)plc控制

5、系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2）確定輸入輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與plc有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定plc的i/o點(diǎn)數(shù)。3）選擇plc plc選擇包括對(duì)plc的機(jī)型、容量、i/o模塊、電源等的選擇4）分配i/o點(diǎn)并設(shè)計(jì)plc外圍硬件線路分配i/o點(diǎn)：畫(huà)出plc的i/o點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。plc外圍硬件線路：畫(huà)出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入plc的控制電路等。由plc的i/o連接圖和plc外圍電氣線

6、路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序；4.保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實(shí)施設(shè)計(jì)控制柜和操作臺(tái)等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之。間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查；由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過(guò)模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)程應(yīng)循序漸進(jìn)，從plc只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐

7、步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到eprom中，以防程序丟失。8）整理和編寫(xiě)技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、plc程序以及使用說(shuō)明書(shū)等。本課題選用fx系列。fx系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為f、f1、f2、fx2、fx0、fx0n、fx2c、fx1n和fx q2n幾個(gè)系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具有各種點(diǎn)數(shù)及各種輸出類(lèi)型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有

8、極高的靈活程度。fx的應(yīng)用領(lǐng)域包括：通用機(jī)械、汽車(chē)制造、立體倉(cāng)庫(kù)、機(jī)床與工具、過(guò)程控制、控制與裝置儀表、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、控制設(shè)備制造、專(zhuān)用機(jī)械 。 多種級(jí)別(功能逐步升級(jí))的cpu，種類(lèi)齊全的通用功能的模板，使用戶(hù)能根據(jù)需要組合成不同的專(zhuān)用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或變得更加復(fù)雜時(shí)，不必投入很多費(fèi)用。fx可編程控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴(kuò)展十分方便。任何時(shí)候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級(jí)和充分滿(mǎn)足本課題的需要。 表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表輸入觸點(diǎn)功能輸入觸點(diǎn)功能輸入觸點(diǎn)功能輸出觸點(diǎn)功能x6-sq2左限位x12手動(dòng)x15啟動(dòng)y0上升x7-sq2

9、右限位x13回原點(diǎn)x16停止y1下降x10-sq2上限位x14單步x17夾緊y2右行x11-sq2下限位x18松開(kāi)y3左行x19上升y4夾緊/放松x20下降x22右行x23左行表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點(diǎn)分配表機(jī)械手的控制器日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器控制器具有40個(gè)輸入點(diǎn)、40個(gè)輸出點(diǎn)。滿(mǎn)足機(jī)械手5個(gè)步進(jìn)電機(jī)位置測(cè)量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、plc、輸出接口電路。位置檢測(cè)與輸入接口電路位置反饋信號(hào)是通過(guò)光電編碼器而得到, 每個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過(guò)它實(shí)現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè), 光電編碼

10、器主要是由控制電路板、紅外光電耦合器及遮光盤(pán)組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu), 固定于槽形框內(nèi), 遮光盤(pán)固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上, 遮光盤(pán)為5孔均勻圓周分布的金屬盤(pán)。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, r3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強(qiáng)度。r1、r2 用于調(diào)節(jié)a、b 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時(shí), 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見(jiàn)紅外線光, 通過(guò)旋轉(zhuǎn)的遮光盤(pán)的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 兩端電壓發(fā)生相應(yīng)變化, 從a、b 輸出脈沖信號(hào)。光電碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6 個(gè)相位差為30。的a、

11、b 兩相6 個(gè)脈沖。正、反向測(cè)速a、b 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。從a、b 輸出的脈沖信號(hào)為電平信號(hào), 不能直接連接到plc 的輸入端。還要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào), 再送入plc 輸入端。圖2 中ic、r4、t1 就是為此而設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)接口電路。ic 是一個(gè)異或門(mén), 將兩路脈沖信號(hào)合成一路信號(hào)。西門(mén)子plc 有高速一相一輸入計(jì)數(shù)器, 本文用到的計(jì)數(shù)器為c235c240 , 其相應(yīng)計(jì)數(shù)輸入端為x0x5。4.4 控制軟件設(shè)計(jì)利用plc 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制, 需要將手爪的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為對(duì)機(jī)械手的直流伺服電機(jī)的控制。為了使手爪準(zhǔn)確到達(dá)所要求的位置, 需要精確計(jì)算出每個(gè)電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度,

12、即根據(jù)手爪在運(yùn)動(dòng)空間的初始位置和目標(biāo)位置計(jì)算出在空間坐標(biāo)系中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量, 并將其換算成plc 控制的內(nèi)部指令。各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)如圖4-1 所示。電機(jī)2、3、4 控制的關(guān)節(jié)始終在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng), 而電機(jī)1 所控制的關(guān)節(jié)始終在關(guān)節(jié)2、3、4 所處的垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng), 電機(jī)5 控制手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)。 plc 內(nèi)部應(yīng)用程序運(yùn)行后, 首先, 腰部電動(dòng)機(jī)m1根據(jù)plc 指令開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn), 相應(yīng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù), 計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)數(shù)據(jù)后, plc 輸出控制指令, 使m1 停止轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)啟動(dòng)m2、m3、m4、m5 一起動(dòng)作, m2、m3、m4、m5 轉(zhuǎn)動(dòng)到位后均停止轉(zhuǎn)動(dòng), 手爪抓住物體后, 電機(jī)m2、m3、m4、m5 重新運(yùn)轉(zhuǎn), 將

13、物體提高至某一高度后停止, 然后啟動(dòng)電機(jī)m1 轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置后, m2、m3、m4、m5 動(dòng)作放下手爪, 而后m2、m3、m4、m5 動(dòng)作回位, 機(jī)械手回到起始位置。設(shè)計(jì)程序是通過(guò)plc 的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 光電編碼器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。plc 的內(nèi)部通用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率小于10hz , 輸入脈沖信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于這一頻率, 因而必須使用plc 內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器。plc 高速計(jì)數(shù)器的輸入端是固定的, 高速計(jì)數(shù)器采用中斷處理方式的計(jì)數(shù)方式, 與plc 的內(nèi)部頻率無(wú)關(guān)。采用的高速計(jì)數(shù)器是c235、c236、c237、c238、c239,對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)輸入端是x

14、0、x1、x2、x3、x4、。因?yàn)楦鱾€(gè)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入固定, 所以輸入端口被占用后, 另外的計(jì)數(shù)器就不能使用。因而無(wú)論電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)都采用同一個(gè)計(jì)數(shù)器, 這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題,即每次計(jì)數(shù)前, 計(jì)數(shù)器都要清零, 這就會(huì)影響前一個(gè)過(guò)程已經(jīng)計(jì)數(shù)過(guò)的計(jì)數(shù)器的輸出動(dòng)作。于是我們就采用了一個(gè)輔助繼電器來(lái)控制輸出, 這樣不會(huì)影響前一個(gè)流程已經(jīng)有輸出的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器輸入為x0x5 , 高速計(jì)數(shù)器自動(dòng)讀取相應(yīng)輸入端的數(shù)值, 在程序里面不需要對(duì)其編程, 只需對(duì)計(jì)數(shù)器設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)初值啟動(dòng)。x6x13 為單個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)手動(dòng)控制輸入端, 各輸入控制相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),x14x21 為單個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)手動(dòng)控制輸入端。x22 為自動(dòng)啟動(dòng)按鈕, plc 運(yùn)行后, 按下x22 將自動(dòng)運(yùn)行程序。x23 為手動(dòng)啟動(dòng)按鈕, 只有按下x23 后, x6x13 與x14x21 才有效, x22 和x23 不能同時(shí)按下。4.5 plc控制梯形圖參考文獻(xiàn)1 張建民，工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社，19882宋立權(quán). 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20