機械手臂的控制設(shè)計

目錄1引言12機械手概述22.1機械手的概念和分類2機械手的總體結(jié)構(gòu)2機械手工作原理2機械手的操作方式33機械手的工作方式4手開工作方式5自動程序6單周期工作方式7單步工作方式7連續(xù)工作方式73.3自動回原點84PLC的I/O分配105PLC的外部接線圖116結(jié)束語12參考文獻13附錄141引言工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成局部。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染性的場合，應(yīng)用的最為廣泛。在我國，近幾年也有較快開展，并取得一定成果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。機械手也稱自動手。機械手主要由手部、運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)三大局部組成。手部用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動，移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意和方位的物體，需要6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般機械手有2~3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)的軌跡控制機械手。2機械手概述2.1機械手的概念和分類它是一種能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身平安，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來開展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。它是為主機效勞的，由主機驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。本工程要求設(shè)計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手本文設(shè)計的機械手主要包括機械手的旋轉(zhuǎn)、大臂的伸縮、小臂的升降、手抓的松緊。各關(guān)節(jié)均采用電磁閥作為驅(qū)動裝置，在機械大臂伸縮和小臂的升降以及手抓的松緊環(huán)節(jié)都配有傳感器，并編制了能滿足運動控制要求的軟件，實現(xiàn)對機械手的速度、位置以及4關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件〔或工具〕的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動〔擺動〕、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。2.3機械手工作原理機械手在生產(chǎn)線上的任務(wù)是將工件從A處傳送到B處。根據(jù)外界情況，機械手在空間主要進行以下動作：機械手下降，機械手抓緊工件，機械手與工件上升，機械手與工件右移，機械手與工件下降，機械手放松工件，機械手上升，機械手左移?？刂破鳈z測上，下，左，右限位開關(guān)的通斷，決定當前的動作，通過驅(qū)動系統(tǒng)輸出，控制機械手的動作。機械手的操作方式分為手動、回原點、單步、單周期、自動五種工作方式，五種工作不僅能各自獨立工作，還能按順序?qū)崿F(xiàn)他們之間的互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中原狀態(tài)保持，轉(zhuǎn)換后按照新的工作方式進行?！?〕手動：選擇手動方式，按下手動按鈕，結(jié)合限位開關(guān)，對各個動作進行單獨控制。如：按下機械手下降按鈕，機械手下降，松開機械手按鈕，機械手停止下降，或者到位后，機械手停止下降，機械手只能在左限位和有限位才能下降中間不可以下降?！?〕回原點：選擇回原點方式，按下原點按鈕，機械手以最快及最平安的路徑回到原點位置停止。如：假設(shè)機械手未夾物體時，以最快路徑回到原點位置；假設(shè)機械手夾了物體必須搬運到B點，在回到原點位置?！?〕單步：選擇單步方式，按一次啟動按鈕，機械手動作一個工步后自動停止。〔4〕單周期：選擇單周期方式，按啟動按鈕，機械手動作一個周期后自動停止；在動作過程中，按停止按鈕，機械手立即停止，在按啟動按鈕，機械手繼續(xù)動作，機械手繼續(xù)動作，一個周期后自動停止?！?〕自動：選擇自動方式，按啟動方式，機械手周而復(fù)始的動作；在動作過程中，按停止按鈕，機械手不立即停止等到當前一個周期結(jié)束才停止。3機械手的工作方式主程序中，SM0.0的常開觸點一直閉合，公用程序是無條件執(zhí)行的。在手動方式，I2.0為ON，執(zhí)行手動子程序。在自動回原點方式，I2.1為ON，執(zhí)行回原點子程序。在其他3種工作方式執(zhí)行自動子程序。主程序如圖3-1所示。圖3-1主程序圖其中公用程序用于處理各種工作方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及不同的工作方式之間相互切換的處理。如圖3-2所示。圖3-2切換處理圖3.1手開工作方式在手開工作方式，用I0.5~I對應(yīng)的6個按鈕分別獨立控制機械手的升、降、左行、右行、夾緊、松開。圖3-3是手動程序。圖3-3手動程序圖為了保證系統(tǒng)的平安運行，在手動程序中設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖；1)設(shè)置上升與下降之間、左行與右行之間的互鎖，以防止功能相反的兩個輸出同時為ON。2)用限位開關(guān)I～I的常閉觸點，限制機械手的移動范圍。3)上限位開關(guān)I的常開觸點與控制左、右行的Q和Q的線圈串聯(lián)，機械手升到最高位置才能左右移動，以防止機械手在較低位置時與別的物體碰撞。4)只允許機械手在最左邊或最右邊時上升、下降和松開工件。3.2自動程序機械手在最上面和最左邊，且夾緊裝置松開時，稱為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。在進入自動〔單步、單周期、連續(xù)〕工作方式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點狀態(tài)；如果不滿足這一條件，可以選擇回原點工作方式，然后按下起動按鈕I，使系統(tǒng)自動返回原點狀態(tài)。在原點狀態(tài)，順序功能圖中的初始步M0.0為ON，為進入單周期、連續(xù)、單步工作方式做好了準備。單周期、單步和連續(xù)3種工作方式主要是用連續(xù)標志M0.7和轉(zhuǎn)換允許標志M0.6來區(qū)分的。自動程序如圖附錄一所示。3.2.1在單周期工作方式，在初始狀態(tài)按下起動按鈕I2.6后，從初始步M0.0開始，機械手按順序功能圖的規(guī)定完成一個周期的工作后，返回并留在初始步。單周期工作方式，I2.2〔單步〕的常閉觸點閉合，M0.6的線圈通電，允許轉(zhuǎn)換。如果滿足原點條件，在初始步時按下起動按鈕I2.6，在M2.0的起動電路中，M0.0、I2.6、M0.5和M0.6的常開觸點均接通，使M2.0的線圈通電，系統(tǒng)進入下降步，Q0.0的線圈通電，機械手下降，碰到下限位開關(guān)I0.1時，轉(zhuǎn)換到夾緊步M2.1，Q0.1被置位，夾緊電磁閥的線圈通電并保持。同時接通延時定時器T37開始定時，1S后定時時間到工件被夾緊，轉(zhuǎn)換條件T37滿足，轉(zhuǎn)換到步M2.2。以后系統(tǒng)將這樣一步一步工作下去。在左行步M2.7，當機械手左行返回原點位置時，左限位開關(guān)I0.4變?yōu)?狀態(tài)，因為連續(xù)工作標志M0.7為0狀態(tài)，將返回M0.0，機械手停止運動。3.2.2單步工作在單步工作方式，I2.2為1狀態(tài)，它的常閉觸點斷開，轉(zhuǎn)換允許輔助繼電器M0.6在一般情況下為0狀態(tài)，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)初始步系統(tǒng)處于原點狀態(tài)，M0.5和M0.0為1狀態(tài)，按下起動按鈕I2.6，M0.6變?yōu)?狀態(tài)，使M2.0的起動電路接通，系統(tǒng)進入下降步。放開起動按鈕，M0.6變?yōu)?狀態(tài)。在下降步，Q0.0線圈通電，當下限位開關(guān)I0.1變?yōu)?狀態(tài)時，與Q0.0的線圈串聯(lián)的I0.1的常閉觸點斷開，使Q0.0的線圈斷電，機械手停止下降。I0.1的常開觸點閉合后，如果沒有按起動按鈕，I2.6和M0.6處于0狀態(tài)，不會轉(zhuǎn)換到下一步。一直要等到按下起動按鈕，I2.6和M0.6變?yōu)?狀態(tài)，M0.6的常開觸點接通，轉(zhuǎn)換條件I0.1才能使M2.1的起動電路接通，M2.1的線圈通電并自保持，系統(tǒng)才能由步M2.0進入步M2.1.以后在完成某一步的操作后，都必須按一次起動按鈕，系統(tǒng)才能轉(zhuǎn)換到下一步。3.2.3在連續(xù)工作方式，I2.4為1狀態(tài)。在初始步為活動步時按下起動按鈕I2.6，M2.0變?yōu)?狀態(tài)，機械手下降。與此同時，控制連續(xù)工作的M0.7的線圈通電并自保持。當機械手在步M2.7返回最左邊時，I0.4為1狀態(tài)，因為連續(xù)標志位M0.7為1狀態(tài)，轉(zhuǎn)換條件M0.7*I0.4滿足，系統(tǒng)將返回步M2.0，反復(fù)連續(xù)的工作下去。3.3自動回原點在回原點工作方式，I2.1為ON。按下起動按鈕I2.6時，機械手可能處于任意狀態(tài)，根據(jù)機械手當時所處的位置和夾緊裝置的狀態(tài)，如圖3-4所示，可以分為3種情況：一是夾緊裝置松開，說明機械手沒有夾持工件，應(yīng)上升和左行，直接返回原點。二是夾緊裝置處于夾緊狀態(tài)，機械手在最右邊，此時Q0.1和I0.3均為1狀態(tài)，應(yīng)將工件搬運到B點后再返回原點位置。三是夾緊裝置處于夾緊狀態(tài)，機械手不再最右邊，此時Q0.1為1狀態(tài)，右限位開關(guān)I0.3為0狀態(tài)，首先要上行、右行、下降、和松開工件，將工件搬運到B點后再返回原點位置。圖3-4機械手當時所處的位置和夾緊裝置的狀態(tài)圖4PLC的I/O分配I/O模塊分為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出4類。CPU分配給數(shù)字I/O的模塊的地址以字節(jié)為單位，一個字節(jié)由8個數(shù)字量I/O點組成。地址分配必須遵循以下三條原那么；1〕同種類型輸入或輸出點的模塊數(shù)進行順序編址；2〕某個模塊的數(shù)字量I/O點如果不是8的整數(shù)倍，最后一個字節(jié)中未用的位不會分配給后續(xù)模塊；3〕模擬量擴展模塊以2點4字節(jié)遞增方式來分配地址。5PLC的外部接線圖S7200采用平方毫米的導(dǎo)線，導(dǎo)線要盡量成對的使用，應(yīng)將交流線、電流大且變化迅速的直流線與弱點信號線分開，干擾較嚴重時應(yīng)設(shè)置浪涌抑制設(shè)備。使用同一個電源，有同一個參考點的電路，其參考點只能有一個接地點。將CPU為傳感器和輸入電路供電的DC24V電源M端子接地，可以提高抑制噪聲能力。其外部接線圖如圖5-1所示。圖5-1外部接線圖6結(jié)束語基于PLC的機械手臂課程設(shè)計歷時一周，首先給自己安排每天的任務(wù)，每天應(yīng)該完成什么，這樣才有效率，有成果。在編寫梯形圖時遇到了許多不懂之處，在老師和同學的幫助指導(dǎo)下，才能順利的完成這份課程設(shè)計。本來以為自己對可編程控制器原理的知識掌握已經(jīng)比擬好，但是到做課程設(shè)計的時候才發(fā)現(xiàn)自己存在著許多缺乏，其中很多根底知識不夠完善，很多知識掌握的不是很扎實，遇到一些疑點難點自己沒有方法單獨完成，往往顧了這邊，那邊又出現(xiàn)了問題感到非常棘手。課程設(shè)計是一個理論與實踐的過程，僅僅有理論是不夠的，更重要的是動手操作能力，是我們所設(shè)計的實物。這就需要我們考慮問題要仔細、周密、不能有絲毫大意，設(shè)計的同時加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。向教育指導(dǎo)我的老師及同學表示誠摯的感謝。這次課程設(shè)計，通過針對性地查找資料，了解有關(guān)電子方面的資料，既增長了自己的知識面，補充了自己的應(yīng)用能力和實踐能力。對學過的課本理論知識起到了溫習作用。機械手臂搬運加工采用PLC為控制核心結(jié)構(gòu)合理、測試方法可靠，具有較強的靈活性，提高了設(shè)備運行