畢業設計基于plc的機械手自動化控制系統實現方法研究(已修改)

　

【正文】 本科畢業論文（設計）論文（設計）題目：基于PLC的機械手自動化控制系統實現方法研究 工作臺上工件搬移機械手學 院：機械工程學院專 業：機械設計制造及其自動化摘 要隨著可編程控制器應用技術的不斷發展，PLC的應用范圍日益擴大，使得當今工程技術人員在設計電氣控制系統時，考慮選用PLC控制取代接觸器控制。本文重點分析了基于PLC的機械手控制系統的組成，并詳細敘述了在以PLC為核心的基礎上，對步進電動機進行綜合控制的軟、硬件的實現方法。該系統利用步進電動機單位脈沖所具有的步進距離不變的特點，對其采用開環點位控制。因此可將整個運動視為折線運動，每一個動作可視為運動程序相同、特征參數各異的點位相對運動。其以起點作為參考點，通過脈沖計數得到目的點的位置，手動操作機械手從參考點運動到目的點后，保存目的點位的特征參數，并統一進行列表管理。從而實現手動模式下運用關鍵點位輸入及自動模式查表方式的“仿形”動作。關鍵字：可編程控制器，機械手，定位控制AbstractWith the Programmable Logic Controller the continuous development of applied technology, PLC on the application of growing, making today39。s engineering and technical personnel in the design of electrical control system, consider replacing optional PLC control access control. The paper analyzed the PLCbased control system Manipulator the position, and described in detail in the PLC as the core on the basis of the Stepping Motor control of the integrated software and hardware of the method. The system used by the Stepping Motor unit pulse of step with the characteristics of the same distance from their point of using openloop control. So the whole movement could be seen as broken line movement, every action can be considered the same as sports, characteristics of different parameters of the point of relative movement. To its starting point as a reference point, through the pulse by counting purposes at the location, manually operated mechanical hand movement from the point of reference points to the purpose, the purpose of preserving points of the parameters, and a unified list management. To achieve manual mode use of the key points of import and automatic mode lookup table means copying moves.Keyword: Programmable Logic Controller, Manipulator, Positioning Control目 錄第1章 前 言 1 研究的目的和意義 1 傳統機械手 1 現代機械手 1 研究的國內外現狀和發展趨勢： 2 國內外現狀 2 發展趨勢 3 主要研究內容，需要解決的關鍵問題和思路 3 概要 3 硬件選擇 3 控制要求 4 輸入/輸出設備 4 PLC選擇 4 I/O點數分配 4 PLC程序設計 4 研究對象特點 4第2章 硬件設計 5 機械手夾持結構 5 夾緊機構——手爪 5 結構 5 機械手軀干 6 組成 6 傳動定位機構 6 傳動系統 8 傳動方式 8 步進電機及其驅動器 8 輔助系統 16 原點定位及超程保護 16 操作臺 16第3章 軟件設計 18 工作流程圖 18 PLC選擇及I/O口分配 18 PLC控制系統設計的基本原則 18 PLC控制系統設計步驟 19 CPU的速度 19 PLC模塊的選擇 20 PLC品牌選擇 20 PLC系列選擇 21 輸出方式 23 I/O點數 24 I/O口分配原則 24 I/O口分配論證 25 程序設計 30 存儲區域分配 30 程序指令 32 初始化及報警程序 41 回原點程序 43 手動程序 45 自動程序 49第4章 后 記 53 研究價值 53 特色 53 續改進方向 53參考文獻 54致 謝 55附 錄 56文獻綜述 57第1章 前 言 研究的目的和意義 傳統機械手伴隨著工業自動化發展的腳步，機械手憑借其定位精度高、工作性能穩定、結構靈活多樣、可精確復現等特點，被廣泛應用于輕、重工業、醫療衛生、軍事、科研等高新技術領域。它的運用標志著制造業向自動化、無人化、節拍化、智能化的邁進。就傳統繼電控制的機械手而言，因其控制裝置落后、接線復雜、易受干擾、可靠性差、維修困難等劣勢，逐步退出了歷史舞臺。 現代機械手可編程控制器因其諸多特點被廣泛應用于現代機械手控制系統中。可編程控制器簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。其特點特點如下：1） 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。就PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。 2） 配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展至今，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加之PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。 3） 易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。 4） 系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 5） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。配套齊全，功能完善，適用性強。 研究的國內外現狀和發展趨勢 國內外現狀1） 應用廣泛性。機械手作為一種按人類意識進行簡單替代人手操作的工具，被廣泛應用于輕、重工業、醫療衛生、軍事、科研等高新技術領域，從事目標搬移（如：搬移機械手、選擇夾持機械手、運輸機械手、挖掘機等）、精確定位（醫療機械手輔助手術、電子元器件機插設備、打印設備、數控加工中心等）、模擬（殘疾人假肢）等工作。2） 結構多樣性。機械手因其模擬人類手部的工作模式而命名，并非其形狀像手。在應用的各領域、各工作層面中，機械手的形狀各異，不受到任何標準形狀的制約，實用、抽象的結構體，發揮著其獨有的高效作用。3） 智能性。借助傳感器反饋系統，將機械手工作時的動態信息，及時的反饋回中央處理單元，進行動作的實時控制。即使被操作目標的表面形狀和位置存在差異，機械手都能借助檢測反饋信息，自動的判斷夾持位置（定位位置），智能的把目標送入下一工作環節。生產車間中，運用該機械手，可實現無人化生產，構建無人車間。 發展趨勢1） 各種多用途機械手。適用于抓取各種物件，適合于各種不同用途，具有各種新功能。如汽車工業中的上下料、裝配、噴涂以及各種功能的實現。2） 具有熟練技術工人的機能。如開發雙臂多關節機械手，像熟練技術工人那樣進行各種裝配、檢修、焊接、噴涂等工作，能搬運液晶玻璃、半導體器件，并能和計算機連接，通過仿真軟件進行各種熟練技術工人的工作。完美的人機界面，完備的通信功能更好適應各種工業的控制場合。3） 實現智能化，能進行多品種少數量的柔性生產，組成各種形式的制造系統。開發各種帶視覺、聽覺、觸覺的新型傳感器，能夠分析、判斷、遙控的智能化機器手，為未來低成本、高精度、高效率、高自動化的制造系統做準備。4） 提高機器手工作定位精度。通過安裝視覺傳感器，實時控制系統等措施，使機械手運動環節能實現實時位置反饋，提高機械手工作定位精度。 主要研究內容，需要解決的關鍵問題和思路 概要任務：實現機械手在兩個工作臺間代替工人進行單調持久地搬移工作。環境：高溫和危險的作業區，可變換生產品種的中、小批量柔性自動化生產線。要求：PLC控制，預置工作程序，動作靈活，可根據工件的變化隨時更改相關控制參數。 硬件選擇1） 動力源——步進電機及其相應驅動設備。機械手夾持部位采用電磁控制。各元件應結合現場工作環境進行校核設計，本文中所選設備僅作示范性選擇，未進行校核，不適用于具體設備制造，不代表最終機械手硬件。2） 傳動機構——機械手臂采用滾珠絲杠螺母傳動。3） 減速機構——本文不設計減速機構，在實際生產中若動力不足，可另行增加。同時為保證機械手的有足夠的定位精度，應保證減速器具有滿足使用要求的傳動精度。4） 超程保護——設備運行過程中未能豁免發生控制程序或電路故障，造成在極限位置仍繼續發出前行信號，燒毀步進電機或其驅動設備。結構中在極限位置采用行程開關進行超程保護，各極限位置保留了一定工作區域，不作為工作行程。5） 操作臺布置——盡力人性化處理，顯示實時工作狀態及故障報警。 控制要求1） 定位精確性——步進電機和步進電機驅動器作為動力驅動設備，采用開環點位控制，滿足定位要求。2） 路徑無干擾性——無干涉，無安全隱患。可以設定中間點位避讓繞行。3） 故障報警系統——具有故障位指示功能。 輸入/輸出設備輸入：指令按鈕、旋鈕、急停按鈕、報警及指示裝置。輸出：指示燈、二極管、步進電機及其驅動設備、電磁機械手。 PLC選擇保證設計所需的指令、I/O點數、電壓及輸出方式的要求，選擇質優、價廉、廣泛應用的產品以降低總設計成本。 I/O點數分配合理選用滿足設備要求點數的PLC，減少不必要的浪費。優先分配特殊I/O點，注意相關指定輸入輸出端，歸類分布。 PLC程序設計1） 移植性——制定參數存儲區域，存儲點位控制機械手的關鍵點位置，僅一次手動