自動(dòng)化論文基于PLC的多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第一章PLC概述1.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC，它具備了模擬量控制、過(guò)程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能，所以美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller）,簡(jiǎn)稱PC。但是個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）也簡(jiǎn)稱PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編程控制叫做PLC（Programmable Logic Controller）.PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它其實(shí)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、

2、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，它以接入式CPU為核心，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，容易擴(kuò)展其功能的?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)。它是為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于PLC的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，這些都是個(gè)人計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的?？删幊炭刂破魇且环N通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程。它的功能能夠很容易地?cái)U(kuò)展

3、，它的程序是可以根據(jù)控制對(duì)象的不同，讓使用者來(lái)編制的。也就是說(shuō)，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各種場(chǎng)合。通過(guò)以上定義還可以了解到，相對(duì)一般意義上的計(jì)算機(jī)，可編程控制器不僅具有計(jì)算機(jī)的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過(guò)一次開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，它是一種通用機(jī)，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，它可以在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。它在很大程度上使的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)從專業(yè)設(shè)計(jì)院走進(jìn)工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員甚至普通電氣工人力所能及的工作。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝

4、接線簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，可編程控制器在短短的30年中獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。1.2 PLC的由來(lái)及發(fā)展1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺(tái)可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC），在美國(guó)通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上使用，取得了巨大的成功。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理

5、的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺(tái)可編程控制器的誕生地美國(guó)，1982年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國(guó)重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個(gè)時(shí)期可編程

6、控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都

7、的到了長(zhǎng)足的發(fā)展。1.3 PLC的特點(diǎn)及用途 1.3.1 PLC具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)（1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。PLC由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號(hào)的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC的平均無(wú)故障時(shí)間可高達(dá)510萬(wàn)小時(shí)以上。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。（2）功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣到現(xiàn)在為

8、止PLC已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。PLC所具有的完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，PLC通訊能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。（3）編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用PLC采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語(yǔ)言，只用少量的開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以使用手持編程器或筆記本對(duì)PLC進(jìn)行編程。當(dāng)PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對(duì)PLC編程。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制提供了方便。（4）系統(tǒng)

9、安裝簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低PLC在存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，功耗僅數(shù)瓦。由于PLC體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。使得PLC的重量越來(lái)越輕、功耗也越來(lái)越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來(lái)越多的情況下，PLC的價(jià)格也越來(lái)越低。1.3.2 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域PLC在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，主要可以歸納為以下幾類：（1）開(kāi)關(guān)量的邏輯控制可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單

10、臺(tái)設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動(dòng)化流水線。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。（3）運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。（4）過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)連續(xù)變化的量進(jìn)行控制。如對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各

11、樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合。1.4 PLC的主要技術(shù)指標(biāo)PLC的性能指標(biāo)較多，主要介紹與組成PLC控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個(gè)。（1）編程語(yǔ)言及指令功能用戶的PLC程序可以用梯形圖語(yǔ)言、指令標(biāo)語(yǔ)言、功能塊圖編寫，梯形圖語(yǔ)言在PLC中較為常見(jiàn)，梯形圖語(yǔ)言一般在計(jì)算機(jī)屏幕上編輯，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。現(xiàn)在功能圖語(yǔ)言的使用有上升趨勢(shì)。編程語(yǔ)言中還有一個(gè)內(nèi)容是指令功能。衡量指令功能強(qiáng)弱可看兩個(gè)方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項(xiàng)專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務(wù)，取決于PLC指令的多少，指令功能越多，編程

12、越簡(jiǎn)單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。（2）輸入輸出點(diǎn)數(shù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)是PLC可以接受的輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)和輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點(diǎn)數(shù)往往的大于輸出點(diǎn)數(shù)的，且二者不能相互替代。（3）掃描速度數(shù)掃描速度數(shù)是指PLC掃描1k（1k=1024）字用戶程序所需的時(shí)間，通常以ms/k字為單位，掃描速度越快越好。（4）存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是存放用戶程序的存儲(chǔ)器的容量。通常用k來(lái)表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在編制PLC程序時(shí)，需要用到大量的寄存器來(lái)存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲(chǔ)器的容量越大，就可以編

13、制出更復(fù)雜的程序。（5）可擴(kuò)展性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中PLC的可擴(kuò)展性也顯的非常重要。主要包括：輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展；聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展；可擴(kuò)展的模塊數(shù)；另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性及經(jīng)濟(jì)性等功能指示也受用戶的關(guān)注。 第二章 機(jī)械手簡(jiǎn)介它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在

14、這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的

15、繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，

16、其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。多關(guān)節(jié)機(jī)械手

17、指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個(gè)相鄰的剛體，即連桿，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是以其中一個(gè)特點(diǎn)，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的夾鉗式等機(jī)械手。它可以完成對(duì)不同形狀、不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機(jī)械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應(yīng)用最多的就是類似于人手的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能模擬人手抓物體時(shí)的情況。與傳統(tǒng)的機(jī)械手相比，多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近基座的工件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。2.1 控制系統(tǒng)的功能要求傳統(tǒng)的機(jī)械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護(hù)困難、可靠性差等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足機(jī)械手控制的需求?？删幊炭刂破鳎≒LC

18、）的出現(xiàn)使得這類問(wèn)題得到解決，PLC控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、功耗低和改造方便的特點(diǎn)，能夠完成動(dòng)作要求精度高的工作。2.1.1 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過(guò)程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。本節(jié)講述的是利用機(jī)械手在軸承裝配線上，通過(guò)PLC控制機(jī)械手的動(dòng)作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成壓蓋的整個(gè)過(guò)程。圖2-1是某以生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖。圖2-1 機(jī)械手的工作示意圖該機(jī)械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶1轉(zhuǎn)移至傳送帶2上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)壓蓋機(jī)加工，完成軸承裝配的一部分加工

19、。整個(gè)工作過(guò)程機(jī)械手包括以下動(dòng)作：手臂上升手臂下降手爪抓緊手爪放松手臂左旋手臂右旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手完成以上動(dòng)作主要是通過(guò)機(jī)械控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用PLC控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和電磁閥的通斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降控制機(jī)械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過(guò)程如圖2-2所示：?jiǎn)?dòng)手爪放松傳送帶2手臂下降手臂上升手臂抓緊手臂下降傳送帶1手爪抓緊手臂右旋手臂上升圖2-2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡(jiǎn)單工作過(guò)程示意圖(1)手臂上升：使機(jī)械手相對(duì)于工作臺(tái)向上移動(dòng)，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。(2)手臂下降：使機(jī)械手相對(duì)于工作臺(tái)向下移動(dòng)，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。(3

20、)手爪抓緊：使機(jī)械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。(4)手爪放松：使機(jī)械手放松工件，以便完成工件放松的要求。(5)手臂左旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動(dòng)的要求。(6)手臂右旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)出如圖2-3所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖。多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手電氣控制柜2.1.2機(jī)械手工作原理在此機(jī)械手中，電動(dòng)機(jī)被置于機(jī)座上，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)諧波減速器將動(dòng)力傳遞給固定在大臂

21、上的齒輪，帶動(dòng)大臂在內(nèi)部有圓錐齒輪和帶輪，動(dòng)力通過(guò)齒輪傳到圓錐齒輪和同步帶上，再由同步帶將動(dòng)力傳給各關(guān)節(jié)，從而帶動(dòng)機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的操作。現(xiàn)在研究和應(yīng)用較多的是五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5圖5五指十五關(guān)節(jié)手爪結(jié)構(gòu)原理這個(gè)類型的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，采用的是機(jī)器人手爪，每個(gè)手指的各關(guān)節(jié)都有一臺(tái)相互獨(dú)立的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且每個(gè)手指都配有傳感器和控制系統(tǒng)，這樣每個(gè)手指的動(dòng)作都是互不影響的，使手爪能夠模擬人手的動(dòng)作可以抓取各種形狀的工件。如果抓取的工件形狀不規(guī)則，工件的中心與手爪的中心不相同，這時(shí)就可以利用五個(gè)手指相互獨(dú)立的特點(diǎn)。它們的彎曲程度可以不同，因此對(duì)工件的形狀具有適應(yīng)性。先接觸到工

22、件的手指關(guān)節(jié)由于先收到較大的壓力而無(wú)法繼續(xù)壓緊之后，其他未接觸的手指仍然可以繼續(xù)彎曲，直到所有的手指都接觸到物體，因此可以完全抓緊工件，同時(shí)由于有傳感器的檢測(cè)，所以不會(huì)因?yàn)樽ト」ぜ淖チμ笤斐蓪?duì)工件的損害。 多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手爪抓規(guī)則形狀物體和不規(guī)則形狀物體的工作示意圖如圖6所示圖6抓握原理示意圖直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)諧波減速器減速后，帶懂動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使螺母在導(dǎo)向桿中上下移動(dòng)，同時(shí)落幕的移動(dòng)帶動(dòng)連接五個(gè)手指的第一指節(jié)運(yùn)動(dòng)。五個(gè)手指安裝在彈性支座上，同時(shí)在彈性支座上還有五根拔桿連接第二指節(jié)上的凹槽，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以使第一指節(jié)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，使第二指節(jié)圍繞第一、二指節(jié)間的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電動(dòng)機(jī)控

23、制多指的要求。同樣在第一指節(jié)的下端裝有固定拔桿與第三指節(jié)的凹槽連接，實(shí)現(xiàn)了第三指節(jié)同時(shí)隨第一、二指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)而繞第二、三指節(jié)間的關(guān)節(jié)軸運(yùn)動(dòng)，從而形成了指節(jié)聯(lián)動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)前面介紹了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置需要的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，按照控制系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)出如圖3-1所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠PLC主機(jī)是無(wú)法完成控制要求的，因此擴(kuò)展了一個(gè)I/O和兩個(gè)模擬量輸入/輸出模塊，以及兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)和一個(gè)可控電動(dòng)機(jī)?？刂瓢粹o傳感器傳送帶B電磁閥右旋限位開(kāi)關(guān)左旋限位開(kāi)關(guān)下降限位開(kāi)關(guān)右旋限位開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)抓緊電磁閥上升電磁閥下降電磁閥左旋限位開(kāi)關(guān)松開(kāi)

24、電磁閥上升限位開(kāi)關(guān)PLC圖3-1 控制系統(tǒng)的硬件框圖3.1 PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。在西門子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226等之分。三自由度工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)總共有15個(gè)數(shù)字量輸入，8個(gè)數(shù)字量輸出，供需23點(diǎn)I/O口，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，選用了CPU224作為主機(jī)。同時(shí)擴(kuò)展一個(gè)I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊。EM223共6種模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和資源需求，采用EM223模塊中的4點(diǎn)輸入/4出輸出模塊。由于需要測(cè)量每個(gè)手指的

25、壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進(jìn)行判斷，所以擴(kuò)展兩個(gè)模擬量模塊，全部選用EM235模塊。模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235具有4路模擬量輸入/1路模擬量輸出。 EM223和EM235與PLC的連接不需要其他設(shè)置，只需要將排線插到主機(jī)及擴(kuò)展模塊的插槽上。3.2 PLC 的I/O資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC進(jìn)行I/O及其他資源的分配，具體分配如下。表3-1 數(shù)字量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0高速脈沖輸入I1.1自動(dòng)啟動(dòng)I0.1急停按鈕I1.2上升限位開(kāi)關(guān)I0.2手動(dòng)/自動(dòng)I1.3下降限位開(kāi)關(guān)I0.3手臂上升I1.4左旋限位開(kāi)關(guān)I0.4手臂下降I1.5右旋

26、限位開(kāi)關(guān)I0.5手臂左旋I2.0傳送帶1光開(kāi)關(guān)I0.6手臂右旋I2.1傳送帶2光開(kāi)關(guān)I0.7手爪抓緊I2.2傳送帶2啟動(dòng)I1.0手爪放松I2.3壓蓋機(jī)啟動(dòng)表3-2 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備ATW0傳感器1ATW0傳感器4ATW0傳感器2ATW0傳感器5ATW0傳感器3表3-3 數(shù)字量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0高速脈沖輸出Q0.5抓緊電磁閥Q0.1上升電磁閥Q0.6松開(kāi)電磁閥Q0.2下降電磁閥Q0.7傳送帶2繼電器Q0.3左旋電磁閥Q1.0壓蓋機(jī)繼電器Q0.4右旋電磁閥根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，硬件框圖及I/O分配情況，三自由度工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)PL

27、C控制部分的硬件接線如圖3-2所示。高速脈沖輸出上升電磁閥下降電磁閥左旋電磁閥右旋電磁閥抓緊電磁閥松開(kāi)電磁閥傳送帶2繼電器壓蓋機(jī)電磁閥I0.0I0.1 Q0.0 Q0.1I0.2I0.3 Q0.2I0.4I0.5 Q0.3 S7-200I0.6 CPU224 Q0.4I0.7 + EM223 Q0.5I1.0 I1.1 Q0.6I1.2 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0I1.5 I2.0I2.1I2.2I2.3高速脈沖輸入急停按鈕手動(dòng)/自動(dòng)手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓緊手爪松開(kāi)自動(dòng)啟動(dòng)上升限位開(kāi)關(guān)下降限位開(kāi)關(guān)左旋限位開(kāi)關(guān)右旋限位開(kāi)關(guān)傳送帶1光電開(kāi)關(guān)傳送帶2啟動(dòng)壓蓋機(jī)啟動(dòng)圖3-2

28、 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC控制部分硬件連接圖3.3 其他資源設(shè)置要完成系統(tǒng)的功能除了PLC及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種限位開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。（1）各種限位開(kāi)關(guān)在此系統(tǒng)中，共用了4個(gè)限位開(kāi)關(guān)：上升限位開(kāi)關(guān)、下降限位開(kāi)關(guān)、左旋限位開(kāi)關(guān)和右旋限位開(kāi)關(guān)。限位開(kāi)關(guān)主要是來(lái)控制機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的停止時(shí)刻和位置。（2）光電開(kāi)關(guān)在傳送帶1和傳送帶2上各有一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)的作用主要是指示工件是否到位。傳送帶1上的光電開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)工件是否已到機(jī)械手可操作的工位，若到位則傳送帶1停止，等待工件被取走；傳送帶2上的光電開(kāi)關(guān)則置于壓蓋機(jī)處，當(dāng)工件到達(dá)壓蓋機(jī)時(shí)，傳送帶2停止，對(duì)工件進(jìn)行壓蓋

29、操作，操作結(jié)束后等待下一個(gè)工作。(3)傳感器在此系統(tǒng)采用的是多關(guān)節(jié)機(jī)械手，由于要適應(yīng)各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入PLC，然后進(jìn)行判斷，防止抓緊時(shí)壓力過(guò)大對(duì)工件造成損壞。(4)各種電磁閥此系統(tǒng)中機(jī)械手手臂的上升和下降是用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降，相對(duì)于利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降，氣缸控制簡(jiǎn)單方便。多關(guān)節(jié)機(jī)械手手爪的抓緊和松開(kāi)共用了4個(gè)電磁閥。(5)各種繼電器此系統(tǒng)中，傳送帶2并不需要時(shí)刻連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機(jī)械手的當(dāng)前工作情況有控制機(jī)械手的控制系統(tǒng)來(lái)控制傳送帶2的工作與否，

30、該在什么時(shí)候啟動(dòng)傳送帶，該在什么時(shí)候停止傳送帶。因此，就必須在傳送帶2的電動(dòng)機(jī)部分裝一個(gè)可以控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再連接到PLC以控制接觸器，最后達(dá)到控制目的。壓蓋機(jī)同樣也不需要時(shí)時(shí)刻刻工作，因此在壓蓋機(jī)附近放置的光電開(kāi)關(guān)，可以將工件到位的信號(hào)傳至PLC，從而控制傳送帶2的停止，并且控制壓蓋機(jī)在工件到位的情況下工作。(6)編碼器在此系統(tǒng)中，需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，要將電動(dòng)機(jī)反饋的信號(hào)同PLC發(fā)出的信號(hào)做比較，以檢測(cè)是否手臂準(zhǔn)確到位。(7)各種按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動(dòng)/自動(dòng)按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕均采用觸點(diǎn)觸發(fā)方

31、式，按下即接通，松開(kāi)即復(fù)位。 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1總體流程設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作和要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)出如圖4-1所示的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖。4.2各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)當(dāng)軟件總體流程圖設(shè)計(jì)完成后，就需要對(duì)各個(gè)控制過(guò)程進(jìn)行分解細(xì)化，這樣在程序便攜式就會(huì)簡(jiǎn)潔明了，最后聯(lián)合起來(lái)調(diào)試也便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)控制過(guò)程特別復(fù)雜的時(shí)候，采用模塊化設(shè)計(jì)，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)先調(diào)試摸個(gè)模塊的功能，可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，到最后聯(lián)調(diào)試若出現(xiàn)問(wèn)題就可以很快找出原因及時(shí)解決。程序中用到的元件及設(shè)置如表4-2所示。表4-2 元件設(shè)置編號(hào)意義內(nèi)容備注M0.0急停標(biāo)志on有效M0.1手動(dòng)標(biāo)志on有效M0.2自動(dòng)

32、標(biāo)志on有效M1.0機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M1.1手臂左旋標(biāo)志on有效M1.2機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M1.3手爪抓緊工件標(biāo)志on有效M1.4機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M1.5手臂右旋標(biāo)志on有效M1.6機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M1.7手爪松開(kāi)標(biāo)志on有效M2.0機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M2.1手爪抓緊工件標(biāo)志on有效M2.2機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M2.3手爪松開(kāi)端蓋標(biāo)志on有效M2.4傳送帶2啟動(dòng)標(biāo)志on有效M2.5壓蓋機(jī)啟動(dòng)標(biāo)志on有效T37一個(gè)循環(huán)結(jié)束后等待的時(shí)間101sVW01#傳感器值存儲(chǔ)單元VW22#傳感器置存儲(chǔ)單元VW43#傳感器置存儲(chǔ)單元VW64#傳感器置存儲(chǔ)單元VW85#傳感器置存儲(chǔ)單

33、元VW10抓取工件的標(biāo)志壓力值存儲(chǔ)單元VW20抓取蓋端的標(biāo)準(zhǔn)壓力值由于機(jī)械手的控制過(guò)程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時(shí)候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示。圖4-3 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示的是控制系統(tǒng)的主程序，如圖4-3（a）所示中主要是對(duì)高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出進(jìn)行初始化。對(duì)于高速計(jì)數(shù)器，選用高速計(jì)數(shù)器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0。設(shè)置HSC0的功能為：復(fù)位與啟動(dòng)輸入信號(hào)都是高電位有效、4倍計(jì)數(shù)頻率、計(jì)數(shù)方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù)、預(yù)設(shè)脈沖為10000個(gè)、允許更新雙子和執(zhí)行HSC指令。對(duì)于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈

34、沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用3段輸出，寫控制字到特定存儲(chǔ)器中，完成設(shè)置的功能為：時(shí)間基準(zhǔn)為s級(jí)、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要簡(jiǎn)歷包絡(luò)表，對(duì)3段脈沖周期、數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖4-4所示。圖4-4 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出，對(duì)發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果相等，則定位準(zhǔn)確，如果兩者有偏差，則補(bǔ)發(fā)脈沖，最后達(dá)到設(shè)定的位置上。如圖4-4表示的是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出控制，本例采用3段脈沖輸出，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特性，啟動(dòng)頻率不宜太高，所以在啟動(dòng)階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其輸出脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為50ms，在這個(gè)階段手臂的移動(dòng)是最快的，當(dāng)達(dá)到設(shè)定位置的時(shí)候，同樣不可以突然是頻率降低到0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為200ms，電