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1、---------------------------------------------------------------范文最新推薦------------------------------------------------------ 基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計+仿真圖 摘要：在工業(yè)生產中，常遇到有毒、高溫、放射性、危險、笨重、多粉塵等惡劣的工作環(huán)境，嚴重影響勞動者的身體健康，應用機械手代替人工在惡劣環(huán)境中作業(yè)，可以解決這些問題，它的目的和實用價值都是明顯的。整個設計采用可編程控制器(PLC)控制，由時間繼電器檢測電機旋轉度數，并傳送給PLC，經其分

2、析處理，輸出控制信號，從而協(xié)調機械手的四個自由度，伺服電機驅動機械手手臂的運動方向和手爪的開合，從而完成在空間中抓放物體。通過仿真調試最終完成了產品的設計，結果表明設計出的機械手可以實現在空間中搬運物體的功能。4767 關鍵詞：機械手；PLC；四自由度 The Design of Manipulator Control System Based on PLC Abstract: In industrial production, often encounter working environment temperature, toxic, radioactive, h

3、azardous, bulky, dust and other harsh, seriously affected the health of the workers, application of manipulator instead of manual work in the bad environment, these problems can be solved, its purpose and the practical value is obvious. The design adopts PLC control, by the time relay test motor rot

4、ation degree, and transmitted to the PLC, through its analysis and processing, the output control signal, thus coordinating four degrees of freedom of the manipulator, servo motor drives the movement direction of the manipulator arm and gripper opening and closing, which is to complete catch put obj

5、ects in space. Through the simulation debugging finally completed the design of the product; results showed that the design of the manipulator can realize the function of moving objects in space. 目錄 摘要1 引言1 1.緒論2 1.1課題研究的目的及意義2 1.2國內外機械手的研究現狀2 由于自動化可以節(jié)省大量的物力、人力等，而PLC

6、也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如實用性強、編程方法簡單易學、硬件配套齊全、通用性好，因此工業(yè)領域中廣泛應用可編程序控制器(PLC)。機械手在加拿大、美國等國家應用較多，如用裝配生產線上應用智能機器人、果實采摘機械手來摘果實等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少，本文設計的機械手就是通過PLC來實現自動控制的。通過此次設計可以了解世界先進水平，更進一步學習PLC的相關知識，盡可能多的應用于實踐。 1.2.2 機械手的分類 機械手一般分為三類。第一類是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置，不需要人工操作的通用機械手。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各

7、項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備記憶智能、通用機械的三元機械。第二類稱為操作機，需要人工的操作。它起源于軍事工業(yè)、原子，先是通過操作機來完成特定的目的，后來發(fā)展成用無線電信號操作機械手來進行火星、月球探測。第三類主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決工件傳送和機床上下料，這種機械手在國內稱為專用機械手，在國外稱為“Mechanical Hand”，它是由主機驅動，為主機服務的，工作程序一般是固定的，少數除外，因此是專用的。本文設計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手[3]。 1.2.3 機械手的機構構成 執(zhí)行構件包括軀干、手部和手臂

8、。軀干是安裝動力源、手臂和各種執(zhí)行機構的機架。手臂前端安裝手爪，可以開閉手指、轉動。機械手的手爪系統(tǒng)是模仿人的手指的構造進行設計的，分為固定關節(jié)、自由關節(jié)和無關節(jié)等三種類型。手指的數量可根據要求設計為四指、三指、二指等，三者中又以二指應用最為廣泛。依據支持對象的大小和形狀配備多種尺寸和形狀的夾頭，以滿足操作的要求。本文采用二指的設計。手臂起到引導手爪精確抓住工件，并運送到所需要的位置上的作用。為了讓機械手能夠精確地工作，手臂的四個自由度需要進行精準地定位?？偠灾?，機械手的工作離不開轉動和直線移動二種。 1.3 課題研究的內容 本課題主要研究的是基于PLC的機械手控

9、制系統(tǒng)的設計，包括硬件的設計和軟件的設計。通過設計編制PLC程序實現對機械手模型的自動控制，完成既定動作。 下圖所示為機械手將一個工件由一處傳送到另一處。設備裝有上、下限位和左、右限位開關，它的工作過程如圖所示，有八個動作且運行方式分為單步，單周期，連續(xù)三種模式。機械手動作分解示意圖如圖2所示： 圖2 機械手動作分解示意圖 (1)手臂上升：使機械手相對于工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。 (2)手臂下降：使機械手相對于工作臺向下移動，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。 (3)手爪抓緊：使機械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。 (

10、4)手爪放松：使機械手放松工件，以便完成工件放松的要求。 (5)手臂左旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向左旋轉，以便完成工件移動的要求。 (6)手臂右旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向右旋轉，以便返回原位，重復開始下一周期。 2. 機械手控制方式的選擇 2.1 機械手構件概述 本論文設計的四自由度機械手由底座、一號電機齒輪、左右支梁、中心直齒輪、第一臂右板、夾持器活動節(jié)、夾持器固定節(jié)、四號電機、三號電機、二號電機、一號電機和轉動底座組成。機械手整體結構如圖3所示。其中1是底座，2是一號電機齒輪，3是中心直齒輪，4是右支梁，5是第一臂右板

11、，6是夾持器活動節(jié)，7是夾持器固定節(jié)，8是四號電機，9是三號電機，10是二號電機，11是一號電機，12是轉動底座。 物體在三維空間內的運動或靜止位置是由圍繞三軸旋轉的角度和三個坐標來決定的，所以，手爪抓取物體的方向和位置能從這里得到。 其中帶動手臂旋轉并能支撐機械手的全部重量的機構是底盤。底盤采用舵機驅動，同時，在底盤上裝有限位開關，旋轉角度最大可達到180度。 手臂是機械手的主要部分之一，它是支撐工件、手爪讓它們運動的支撐機構。本設計手臂由豎軸和橫軸兩部分組成、可完成升降、伸縮的動作。手臂采舵機帶動螺母、絲杠來完成升降和伸縮的動作。由可編程控制器發(fā)出信號從而

12、控制步舵機運轉，同時在縱橫軸的兩端分別加限位開關限位。采用螺母、絲杠結構傳動的特點是易于自鎖、位置精度較高，傳動效率較高。 2.1.3 機械手驅動 本論文對于機械手的關節(jié)驅動機構選用舵機驅動，選擇電機的一個重要參數就是驅動功率。例如計算一號電機的功率步驟如下，首先采用公式為(1)和(2)簡化已設計好的機械手模型。 假設手臂的簡化質量為 =5.0kg，重物的質量為 =5.0kg，機械系統(tǒng)其它轉動件的質量為 =5.0kg，總質量為m= + + =15.0kg，手臂簡化長度為L=200mm=0.2m，近似得到轉動慣量為J=15×0.22=0.6kgm2。設電機經

13、減速后作用在機械手臂上的轉速為n=20r/min即ω=2.094rad/s，電機自身的角速度為ω=6.28rad/s， =0.5×0.6× =1.315W。 通過計算可以得出MG996R舵機的驅動功率恰好適合本文設計的機械手。此款機械臂的動力系統(tǒng)采用金屬齒輪的大扭力舵機。機械臂伸展時，手臂的回轉半徑可以達到355mm，如果舵機的扭力不夠大，機械臂會劇烈抖動，甚至會燒壞舵機，所以在機械臂的重要受力關節(jié)采用大扭力的金屬齒輪舵機。MG996R舵機的扭力非常大，運行順滑，噪音小，可以充當機械手臂的驅動。 2.1.4 控制要求 機械手的控

14、制動作主要包括四個步驟：(1)手臂進行上下的直線動作。(2)手臂進行左右的直線動作。(3)手爪夾緊動作。(4)機械手整體旋轉動作。 2.3.1 PLC的結構 PLC和一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設備組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數據總線)連接而成。PLC硬件結構圖如圖4所示： 圖4 PLC硬件結構圖 PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？?/p>

15、分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。 2.3.2 PLC的特點 可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國內外現有的機械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現代化工業(yè)機械手系統(tǒng)中應用更為普遍。其主要原因是因為可編程控制器具有以下優(yōu)點： (1)靈活、通用

16、； (2)可靠性高、抗干擾能力強； (3)操作方便、維修容易； (4)功能強； (5)體積小、重量輕和易于實現機電一體化。 同樣，可編程序控制器控制也有其不足的地方，在性價比上要高于單片機控制和繼電器控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以及其附屬單元都是固定專用等等。 2.4 控制方式的選定 傳統(tǒng)的機械手控制方式采用繼電氣控制，其維護困難、可靠性差、線路復雜等缺點，無法滿足現代工業(yè)自動化對機械手控制的需求。而可編程控制器(PLC)的出現使得這類問題得到解決，PLC控制，具有編程簡單、控制方便、結構簡單、可靠性高、改造方

17、便和功耗低的特點，能夠滿足現代工業(yè)自動化對機械手控制高精度的需求。所以本文所采用的機械手控制方式是可編程控制器控制。 同時擴展一個I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。EM223共6種模塊，根據系統(tǒng)的控制要求和資源需求，采用EM223模塊中的4點輸入/4出輸出模塊。 由于需要測量每個手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進行判斷，所以擴展兩個模擬量模塊，全部選用EM235模塊。模擬量輸入/輸出擴展模塊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置，只需要將排線插到主機及擴展模塊的插槽上。

18、 3.3 PLC的I/O配置 已知輸入口有16個，輸出口有6個。則可編程控制器的I/O分配表如表6所示： 表6 PLC的I/O分配表 編程 元件I/O端子電路元件作用編程 元件I/O端子電路元件作用 輸入口I0.0SB1自動啟動輸入口I1.3SB6手動下移 I0.1SB2單周期啟動I1.4SB7手動左移 I0.2SA手動啟動I1.5SB8手動右移 I0.3SB3停止I1.6SB9手動夾緊 I0.4SQ1上移限位I1.7SB10緊急停止 I0.5SQ2下移限位輸出口Q4.0KM1目的地 圖7 主程序

19、 5. 仿真與調試 5.1 仿真及結果分析 5.1.1 仿真軟件簡介 ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是一種虛擬樣機分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[7]。 ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算

20、有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析[8]。本設計所用的仿真軟件就是ADAMS軟件。ADAMS軟件的界面如圖8所示。 5.1.2 機械手仿真 利用ADAMS軟件對設計的機械手的機械本體進行動態(tài)仿真過程中，為了簡化分析和計算，可以只保留關鍵部件，忽略無關零部件，以便于觀察，仿真過 程如圖9所示 機械手虛擬樣機仿真結束后的生成曲線圖如圖10所示，機械手運動軌跡如圖11所示。 通過對機

21、械手的運動仿真，分析生成曲線圖和運動軌跡圖，可以看到各個機械零件沒有干涉發(fā)生，表明設計基本合理。前提條件是各個轉動關節(jié)必須在一定的轉動角度內轉動，沒有超程現象。可以通過限制各個關節(jié)即各轉動副的驅動電機的轉動角度來實現。 5.2 調試 首先按照設計的要求接好線，然后用電腦在編程軟件中將編輯的梯形圖寫入軟件中，再點擊運行并對其指出的錯誤進行修改，修改完最終運行無誤后將其下載到可編程控制儀器中，確定無誤后按下啟動按鈕。啟動后發(fā)現上行、下行、左行、右行燈均同時亮且一直亮著，這樣就不符合設計中八個動作依次有序進行操作的要求，務必對其進行修正。在這種情況下我采取了以下方案：

22、 (1)重復精度化：重復精度是指如果一個動作是重復的，機器的的準確度，在他達到相同的位置時。重復定位精度比準確性更重要的是，如果一個機器人定位不夠精確，通常是一個固定的錯誤，這個錯誤可以預見，它可以通過編程糾正。重復精度限是一個隨機的誤差范圍內，有一定數目的重復次數，以運行機器人來確定。伴隨現代控制技術和微電子技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成型化，機械手的重復精度會逐漸提高，它的應用范圍也將隨之擴大，例如軍事工業(yè)以及核工業(yè)。 (2)模塊化：有的公司把簡單的傳輸技術定義為帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手，而把現代傳輸技術定義為模塊化拼裝的氣動機械手。模

23、塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成氣管、電接口及帶電纜的導向系統(tǒng)裝置，使機械手指如臂使。模塊化氣動機械手應用不同的模塊使同一機械手具有不同的擴展功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向。 (3)無給油化：為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染的高標準要求，不供油、不加潤滑脂潤滑的元件已經面相市場。隨著材料技術的日益進步，新型材料的出現，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅不污染環(huán)境，而且摩擦性能穩(wěn)定、節(jié)省潤滑油、系統(tǒng)簡單、成本低、壽命長。 我國對機械手的研究與應用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多機械手已經在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用。在不久的將來，機械手將在工業(yè)自動化生產中所占的比重會越來越重 基于PLC的機械手控制系統(tǒng)設計+仿真圖(8): 19 / 19