《機(jī)械手控制的設(shè)計(jì)6000字【論文】》

機(jī)械手控制的設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u21523引言 5221151PLC系統(tǒng)的組成與分類 630341.1PLC系統(tǒng)的組成 6166901.1.1PLC的硬件系統(tǒng) 6161601.1.2PLC的軟件系統(tǒng) 6199401.2PLC的分類 683491.2.1按結(jié)構(gòu)形式分類 685331.2.2按功能、點(diǎn)數(shù)分類 647901.3PLC的選型 624051.4FX1N所具有優(yōu)越性能 752702機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 9302602.1硬件組成 953652.2軟件組成 10180002.2.1程序的總體結(jié)構(gòu) 10164063機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11177133.1設(shè)計(jì)要求 11191453.2控制方式及要求 12303913.3機(jī)械傳動部件的設(shè)計(jì) 1326783.4導(dǎo)向支承部件的設(shè)計(jì) 14244624機(jī)械手PLC集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1527256總結(jié) 1714744參考文獻(xiàn) 184430致謝 19

引言機(jī)械手是一種典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，也是一種典型的可編程序控制器(PLC)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，它是通過可編程序控制器和數(shù)據(jù)記錄控制計(jì)算機(jī)(DRC)之間的通信進(jìn)行聯(lián)合控制，自動控制機(jī)械手的啟動、運(yùn)行和停機(jī)；自動進(jìn)退裝載工件的托盤；自動升降注膠罐；自動判別是否涂膠等一系列動作。本系統(tǒng)采用日本三菱FX1系列的PLC編程語言和日本YAMAHAROBOTDRCSERIES的編程語言進(jìn)行系統(tǒng)編程及優(yōu)化設(shè)計(jì)。1PLC系統(tǒng)的組成與分類1.1PLC系統(tǒng)的組成PLC發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。PLC是以微處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置。其本質(zhì)是工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)。因此，它的組成基本上與普通微型計(jì)算機(jī)相同。它還由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。1.1.1PLC的硬件系統(tǒng)PLC的硬件系統(tǒng)由基本單元、I/O擴(kuò)展單元及外部設(shè)備組成。1.1.2PLC的軟件系統(tǒng)PLC的軟件系統(tǒng)是PLC所使用的各種程序的集合，可分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)。它們相輔相成，缺一不可。沒有軟件的PLC系統(tǒng)被稱為裸機(jī)系統(tǒng)，它沒有任何功能，就像一個(gè)無米鍋。相反，沒有硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)也失去了基本的外部條件，程序根本無法運(yùn)行。1.2PLC的分類1.2.1按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種。整體式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，價(jià)格低廉，這種結(jié)構(gòu)常用于小型和超小型PLC。模塊式配置靈活，裝載維護(hù)方便，功能擴(kuò)展方便，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，一般大中型PLC都采用這種結(jié)構(gòu)。1.2.2按功能、點(diǎn)數(shù)分類小型PLC已成為一種低端PLC，這種PLC體積小，輸入輸出點(diǎn)一般在20到128之間。中型PLC的I/O點(diǎn)通常在120到512點(diǎn)之間，用戶程序內(nèi)存容量為2KB-8KB。大型PLC又稱高級PLC，I/O點(diǎn)數(shù)超過512點(diǎn)，其中，I/O點(diǎn)數(shù)超過8192點(diǎn)，又稱超大規(guī)模PLC，用戶程序存儲器容量大于8kb。1.3PLC的選型采用PLC系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力求具有較好的性價(jià)比，使用和維修方便；選用的PLC主機(jī)和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；選用的PLC主機(jī)及配置必須是功能較強(qiáng)的新一代PLC機(jī)型，一般最好不要選用舊機(jī)型（若采用三菱公司的PLC，則選FX系列，不選F1系列）。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮將來工藝的變化和擴(kuò)展，在滿足確定的要求外，留有一定的余量；確保整個(gè)控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程指令的易懂性。在此，我選用三菱FX1N來做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中FX2是近年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機(jī)殼內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，如圖1-1。圖1-1圖2-4PLC三菱FX1N1.4FX1N所具有優(yōu)越性能【基本性能】CPU處理速度達(dá)到了0.065us/基本指令。內(nèi)置了高達(dá)64K步的大容量RAM存儲器。大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá)209條應(yīng)用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計(jì)算指令，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等?！炯蓸I(yè)界領(lǐng)先的功能】晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了3軸獨(dú)立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸（DSZR），中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更為方便。內(nèi)置6點(diǎn)同時(shí)100kHz的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行4倍頻計(jì)數(shù)。【強(qiáng)大的擴(kuò)展性】增強(qiáng)了通信的功能，其內(nèi)置的編程口可以達(dá)到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同時(shí)使用3個(gè)通信口（包括編程口在內(nèi)）。新增了高速輸入輸出適配器，模擬量輸入輸出適配器和溫度輸入適配器，這些適配器不占用系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，使用方便，在FX3U的左側(cè)最多可以連接10臺特殊適配器其中通過使用高速輸入適配器可以實(shí)現(xiàn)最多8路、最高200kHz的高速計(jì)數(shù)。通過使用高速輸出適配器可以實(shí)現(xiàn)最多4軸、最高200kHz的定位控制，繼電器輸出型的基本單元上也可以通過連接該適配器進(jìn)行定位控制。通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)384點(diǎn)（包括遠(yuǎn)程I/O在內(nèi)）的控制?？梢赃x裝高性能的顯示模塊（FX3U-7DM）可以顯示用戶自定義的英文、數(shù)字和日文漢字信息，最多能夠顯示：半角16個(gè)字符(全角8個(gè)字符)×4行。在該模塊上可以進(jìn)行軟元件的監(jiān)控、測試，時(shí)鐘的設(shè)定，存儲器卡盒與內(nèi)置RAM間程序的傳送、比較等操作。另外，還可以將該顯示模塊安在控制柜的面板上。

2機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案2.1硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般由控制對象、檢測環(huán)節(jié)、計(jì)算機(jī)、輸入輸出通道、外部設(shè)備和操作臺組成?？刂茖ο笫侵杆刂频臋C(jī)械手。此機(jī)械手由兩個(gè)垂直的手臂組成，可以進(jìn)行X-Y軸坐標(biāo)系的平面運(yùn)動；此外，在其中的一個(gè)手臂上裝載一個(gè)連接板，涂膠的膠罐通過卡具與連接板上的汽缸滑軌相連，從而可以進(jìn)行Z方向上的上下運(yùn)動。此機(jī)械手的手臂的機(jī)械傳動部件采用大螺距滾珠絲杠，手臂在X-Y平面的運(yùn)動是由伺服電機(jī)驅(qū)動的。膠筒的上下移動和涂膠動作的驅(qū)動是靠氣壓來推動的。檢測環(huán)節(jié)中的控制參數(shù)大多數(shù)為連續(xù)變化的物理參數(shù)，如機(jī)械轉(zhuǎn)數(shù)、加速度、位移、力、力矩等等；當(dāng)然還包括機(jī)械極限位置一類的開關(guān)量的控制。控制計(jì)算機(jī)在實(shí)時(shí)控制過程中要知道這些受控參數(shù)的變化情況，就需要在系統(tǒng)中配備相應(yīng)的檢測元件及其變換電路，將受控參數(shù)轉(zhuǎn)換成電參數(shù)，再輸入給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。本課題采用PLC，PLC根據(jù)輸入通道發(fā)送來的涂膠機(jī)械手的各種運(yùn)行情況，按照預(yù)先根據(jù)控制規(guī)律(數(shù)學(xué)模型)設(shè)計(jì)的控制程序，自動地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，做出相應(yīng)的控制決策，并通過輸出通道向機(jī)械手發(fā)出控制命令是否涂膠。過程控制的操作員必須能夠與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)“對話”，以了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)，以及在發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。所以要設(shè)計(jì)一個(gè)操作控制臺，其主要功能如下：(1)操作平臺上應(yīng)有帶導(dǎo)軌的小車，供裝載需要涂膠的設(shè)備。(2)應(yīng)具有功能控制面板，撥動扳鍵，計(jì)算機(jī)就能執(zhí)行標(biāo)志所標(biāo)明的動作。(3)應(yīng)有一個(gè)簡單的手持編程器，用來送入某些數(shù)據(jù)或修改控制系統(tǒng)的某些參數(shù)。(4)應(yīng)有報(bào)警裝置，供緊急情況時(shí)報(bào)警。2.2軟件組成2.2.1程序的總體結(jié)構(gòu)機(jī)械手系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖2-1，分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序等四部分。其中自動程序包括單步、連續(xù)運(yùn)動程序，它們合在一起編程更加簡單這是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蜻M(jìn)行，所以將它們合在一起編程更加簡單。CJ是條件跳轉(zhuǎn)應(yīng)用指令，指針標(biāo)號PX是其操作數(shù)。該指令由于某種條件下跳過CJ指令和指針標(biāo)號之間的程序，從指針標(biāo)號處繼續(xù)執(zhí)行，以減少程序執(zhí)行時(shí)間,也不會使各段程序同時(shí)執(zhí)行。假設(shè)選擇“手動”方式，則X0為ON、X1為OFF，此時(shí)PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X0常閉觸點(diǎn)為斷開，故執(zhí)行“手動程序”，執(zhí)行到P1處，由于X1常閉觸點(diǎn)為閉合，所以又跳過回原位程序到P2處；假設(shè)選擇分“回原位”方式，則X0為OFF、X1為ON，跳過自動程序和手動程序執(zhí)行回原位程序；假設(shè)選擇“單步”或“單周期”或“連續(xù)”方式，則X0、X1均為OFF，此時(shí)執(zhí)行完自動程序后，跳過手動程序和回原位程序。圖2-1程序總的結(jié)構(gòu)圖

3機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與一般機(jī)械系統(tǒng)相比，機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)不僅定位精度高，而且動態(tài)響應(yīng)特性好，即響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)通常由控制單元、接口電路、功率放大器電路、執(zhí)行器、機(jī)械傳動單元和檢測傳感器單元組成。本文所描述的機(jī)械系統(tǒng)一般由減速裝置、螺母副、蝸輪副等各種線性傳動部件和連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向支撐部件、旋轉(zhuǎn)支撐部件、軸系和機(jī)架結(jié)構(gòu)等非線性傳動部件組成。3.1設(shè)計(jì)要求采用PLC構(gòu)成機(jī)械手的自動控制系統(tǒng)，可通過修改PLC控制程序，改變對機(jī)械手模型的控制要求。機(jī)械手橫軸水平面內(nèi)作前后方向運(yùn)動，豎軸能在垂直面內(nèi)作上下兩方向運(yùn)動，底座能作正反兩方向旋轉(zhuǎn)，手能正反兩方向旋轉(zhuǎn)，并且底座能在任意位置停止的功能。其主要任務(wù)是將A工作臺的工件旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)到B工作臺。機(jī)械手的工作方式可分為手動、單步、單周期、連續(xù)和回原點(diǎn)5種，各種工作方式的動作及控制要求說明如下。模型如圖3-1：3.2控制方式及要求1.控制方式(1).單周期工作方式a.接通電源后，機(jī)械機(jī)構(gòu)自動復(fù)位；b.橫軸前伸；c.機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到位；d.豎軸下降；e.電磁閥復(fù)位，機(jī)械手夾緊重物；f.豎軸上升；g.橫軸縮回；h.底盤旋轉(zhuǎn)到位；i.橫軸前伸；j.機(jī)械手旋轉(zhuǎn)；k.豎軸下降；l.電磁閥動作，機(jī)械手張開，放下貨物；m.豎軸上升；n.橫軸縮回；o.底盤旋轉(zhuǎn)復(fù)位。至此一個(gè)周期的動作結(jié)束。再按一次啟動按鈕就開始下一個(gè)周期。(2).連續(xù)方式啟動后機(jī)械手反復(fù)運(yùn)行上述周期的每個(gè)動作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手完成最后一個(gè)動作復(fù)位停止工作(3).單步工作方式從原點(diǎn)開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。(4).利用按鈕對機(jī)械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降”按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，機(jī)械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作位置。2.控制要求1).前進(jìn)／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋機(jī)械手的每個(gè)動作必須到位，具體由相應(yīng)限位開關(guān)控制，否則不能進(jìn)行下一個(gè)工作步。前進(jìn)／后退、上升／下降、手順旋／逆旋、底盤順旋／逆旋的動作由一個(gè)雙線圈的電磁閥控制。2）夾緊和放松機(jī)械手夾緊和放松的動作必須在兩個(gè)工位出進(jìn)行，且其動作都要到位。為了確保夾緊和放松動作可靠，需對這兩個(gè)工作進(jìn)行定時(shí)。夾緊和放松動作由單線圈的電磁閥控制，電磁閥得電為夾緊，失電為放松。3.3機(jī)械傳動部件的設(shè)計(jì)機(jī)械傳動部件的主要功能是傳遞扭矩和速度。因此，它本質(zhì)上是一個(gè)變矩器和變速器。其目的是使執(zhí)行機(jī)構(gòu)和負(fù)載在扭矩和速度方面達(dá)到最佳匹配。對工作中的傳動機(jī)構(gòu)，既要求能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的變換，又要求實(shí)現(xiàn)動力的變換。隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)精密化和高速化的發(fā)展，必然要求其傳動機(jī)構(gòu)小型輕量化，以提高運(yùn)動靈敏度(響應(yīng)性)。減小沖擊、降低能耗。為與電子部件的微型化相適應(yīng)，也要盡可能作到使機(jī)械傳動部件短小輕薄化。3.4導(dǎo)向支承部件的設(shè)計(jì)直線運(yùn)動滾動導(dǎo)軌副作為一種滾動摩擦副，具有許多特點(diǎn)：（1）摩擦系數(shù)?。?.003-0.005），運(yùn)動靈活。（2）動、靜摩擦系數(shù)基本相同，起動阻力小，不易爬行。（3）可預(yù)測：緊、高。（4）長壽命。（5）精度高。（6）潤滑方便，可采用油脂潤滑，一次裝車，長期使用。（7）由專業(yè)廠家生產(chǎn)，可選購。因此，滾動導(dǎo)副廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、測量機(jī)和測量儀器中。在機(jī)械手系統(tǒng)中，導(dǎo)向副的主要功能是支撐托盤（上料工件）。并限制托盤移動方向（托盤向前和向后），導(dǎo)軌副沿直線移動。根據(jù)系統(tǒng)的具體工作條件和上述直線運(yùn)動滾動導(dǎo)軌副的特點(diǎn)，最后選擇了滾動導(dǎo)軌副。

4機(jī)械手PLC集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文介紹的機(jī)械手系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的主要特點(diǎn)是自動化。因此，其控制系統(tǒng)非常重要。常用的方法是用通用或?qū)Ｓ秒娮釉鎮(zhèn)鲃訖C(jī)械產(chǎn)品（或系統(tǒng)）中復(fù)雜的機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。本文中的機(jī)械手系統(tǒng)就是采用以DRC(數(shù)據(jù)記錄控制計(jì)算機(jī))和日本三菱公司的FX1系列PLC(可編程序控制器)進(jìn)行的集成控制。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)記錄控制計(jì)算機(jī)和可編程序控制器的聯(lián)合通信與控制，共同完成了涂膠機(jī)械手的自動控制。在該機(jī)械手控制系統(tǒng)中，我們選用的是日本三菱公司生產(chǎn)的型號為FX1-80MR的可編程控制器。在該系統(tǒng)中，將DRC(數(shù)據(jù)記錄控制計(jì)算機(jī))的部分輸出型號作為PLC(可編程序控制器)的輸入信號，PLC把各種傳感器所測得的部分信號作為PLC的輸出信號發(fā)送給DRC作為其輸入信號，這樣兩者進(jìn)行了集成控制。系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)由DRC(控制X-Y型直角坐標(biāo)型機(jī)械手)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的自動控制流程如下所述，重復(fù)二執(zhí)行操作((2)一(11)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的。(1)DRC與PLC進(jìn)行通信握手，表明一切就緒；(2)光電傳感器檢測到工作臺上的托盤支架上是否有工件，發(fā)信號給PLC；(3)位置傳感器檢測到托盤支架己經(jīng)到達(dá)里限限位開關(guān)，發(fā)信號給PLC；(4)液位傳感器檢測到注膠罐有允許的膠量，發(fā)信號給PLC；(5)限位傳感器檢測到注膠罐在上限位置，發(fā)信號給PLC；(6)DRC判斷機(jī)械手回歸原點(diǎn)位置，發(fā)信號給PLC；(7)PLC接受控制面板的自動按扭信號，發(fā)信號給DRC執(zhí)行動作；(8)DRC根據(jù)DPB(手持編程器)的程序，驅(qū)動伺服電機(jī)執(zhí)行X-Y的軌跡行程；(9)機(jī)械手行走到軌跡行程的最后一點(diǎn)，DRC等到此信號；(10)DRC將涂完最后一點(diǎn)的信號發(fā)送給PLC，同時(shí)PLC接受DRC的信號后，發(fā)信號使注膠罐收膠，并且注膠罐的氣缸使之回到上限位置同時(shí)托盤支架自動回歸工件裝卡位置。(11)PLC發(fā)信號給DRC，使機(jī)械手回歸原點(diǎn)。在這個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄控制計(jì)算機(jī)(DRC)與可編程序控制器(PLC)的集成控制。DRC主要完成該機(jī)械手的軌跡行程，PLC完成對該系統(tǒng)的現(xiàn)場控制信號的采集與執(zhí)行元件的驅(qū)動，它們之間的通信采用I/0來實(shí)現(xiàn)的。

總結(jié)目前，此機(jī)械手已投人運(yùn)行，運(yùn)行后能達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)效果：出膠定量、流速均勻、灌封飽滿、軌跡行程精確(軌跡行程可精確到0.01mm)、響應(yīng)速度快、定位精度高，其性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、使用維護(hù)便利.該系統(tǒng)在控制現(xiàn)場方面，尤其在PLC控制方面，具有卓越的控制功能和良好的性能價(jià)格比。機(jī)械手的控制是一個(gè)比較復(fù)雜的工程，現(xiàn)在還處于探索初級階段.要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的智能化操作，一方面要把專家系統(tǒng)引入到本系統(tǒng)中；另一方面，還可運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及自適應(yīng)控制理論，使本系統(tǒng)具有更強(qiáng)的控制能力。

參考文獻(xiàn)[1]薇