《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計說明書 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 課程設(shè)計說明書 題 目 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 機械工程 　系 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 0805班 10號 學(xué)生姓名 . 指導(dǎo)教師 伍新 吳晨曦 . 完成日期 2011年11月23日 . 湖南工程學(xué)院機械工程系

2、 圖 01 1.4 設(shè)計任務(wù) 項目一： 本設(shè)計主要技術(shù)要求： 五自由度示教機械手自由度數(shù):5個；手臂旋轉(zhuǎn)角度360；大臂旋轉(zhuǎn)角度210；小臂旋轉(zhuǎn)角度210；手爪旋轉(zhuǎn)角度360；手指旋轉(zhuǎn)角度120。 五自由度示教機械手采用力矩限制器限制旋轉(zhuǎn)力矩，編碼器、磁鐵—霍爾傳感器限定旋轉(zhuǎn)角度。使用步進電機控制各自由度的運動，實現(xiàn)精確位置控制。摩擦輪副由步進電機提供旋轉(zhuǎn)扭矩，使整個手臂旋轉(zhuǎn)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；大臂的旋轉(zhuǎn)由步進電機提供工作扭矩；小臂的旋轉(zhuǎn)由步進電機通過同步帶提供工作扭矩；指的開合由步進電機提供工作扭矩；腕的翻轉(zhuǎn)由步進電機及減速器提供工作扭矩

3、；手爪的旋轉(zhuǎn)由步進電機通過傘狀齒輪副提供工作扭矩。 控制系統(tǒng)采用PLC控制，編制梯形圖程序。 機械手的結(jié)構(gòu)方案 本課題要求采用五自由度關(guān)節(jié)型機械，其總體機械結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有旋轉(zhuǎn)臺、大臂、肘、小臂，手腕裝置組成，是一個具有五種動作的關(guān)節(jié)型機械手，并能夠模擬接近于人手臂的動作。機械手的坐標(biāo)可以采用簡單的關(guān)節(jié)型坐標(biāo)，因此對它的五種動作需要作一些規(guī)定：（1）機械手的旋轉(zhuǎn)角度。由上向下看，相對旋轉(zhuǎn)臺的基準(zhǔn)線，順時針為正，逆時針為負(fù)，可在360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（2）大臂的旋轉(zhuǎn)是相對于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（3）肘也是相對于水平線，在210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（4）小臂相對于肘的軸線旋轉(zhuǎn)，可在

4、210度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；電機的選型 （1）交流伺服電動機 包括同步型交流伺服電動機及反應(yīng)式步進電動機等。 （2）直流伺服電動機 包括小慣量永磁直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。 （3）步進電動機 包括永磁感應(yīng)步進電動機。 本課題中需要五臺電動機，根據(jù)上述電動機因考慮其指標(biāo)、模型的重量、尺寸等因素，選擇了一臺Kinco86系列步進電機、四臺Kinco57系列三相步進電動機（其中兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04042,另兩臺技術(shù)參數(shù)為3S57Q-04056），分別驅(qū)動臂旋轉(zhuǎn)以及大、小臂俯仰、旋轉(zhuǎn)和手腕的俯仰活

5、動它們的主要參數(shù)如下表: 型 號 技術(shù)參數(shù) 電機慣量(kg.cm ) 保持扭距(Nm) 電機長度（mm） 最大負(fù)載（N） Kinco86 系 列 2S86Q-05180 1.4 4.5 80 220 Kinco57 系 列 3S57Q-04042 0.1 0.5 42 75 Kinco57 系 列 3S57Q-04056 0.3 1.0 56 56 機械手的plc控制 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟 1）分析被控對象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出

6、被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。 2）確定輸入／輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。 3）選擇PLC PLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇 4）分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路 分配I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC

7、的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 5）程序設(shè)計 程序設(shè)計：1.控制程序；2.初始化程序；3.檢測、故障診斷和顯示等程序； 4.保護和連鎖程序。 模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模 擬法兩種形式。 6）硬件實施 設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計系統(tǒng)各部分之。 間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細(xì)檢查；由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短 7）聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進一步進

8、行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機調(diào)試過程應(yīng)循序漸進，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負(fù)載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。 8）整理和編寫技術(shù)文件 技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。 本課題選用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的產(chǎn)品。三菱公司的可編程控制器分為F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、FX1N和FX q2N幾個系列。其系統(tǒng)配置靈活多便，它具

9、有各種點數(shù)及各種輸出類型（繼電器、晶體管、晶閘管）的擴展單元及擴展模塊，要與基本單元自由混合配置，使系統(tǒng)有極高的靈活程度。 FX的應(yīng)用領(lǐng)域包括：通用機械、汽車制造、立體倉庫、機床與工具、過程控制、控制與裝置儀表、紡織機械、包裝機械、控制設(shè)備制造、專用機械 。 　多種級別(功能逐步升級)的CPU，種類齊全的通用功能的模板，使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或變得更加復(fù)雜時，不必投入很多費用。FX可編程控制器采用模塊化設(shè)計，性能范圍寬廣的不同模板可靈活組合，擴展十分方便。任何時候只要適當(dāng)?shù)脑黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足本課題的需要。 表1 機械手傳送

10、系統(tǒng)輸入和輸出點分配表 輸入觸點 功能 輸入觸點 功能 輸入觸點 功能 輸出觸點 功能 X6-SQ2 左限位 X12 手動 X15 啟動 Y0 上升 X7-SQ2 右限位 X13 回原點 X16 停止 Y1 下降 X10-SQ2 上限位 X14 單步 X17 夾緊 Y2 右行 X11-SQ2 下限位 X18 松開 Y3 左行 　 　 X19 上升 Y4 夾緊/放松 　 　 X20 下降 　 　 　 　 　 　 X22 右行 　 　 　 　 　 　

11、 X23 左行 　 　 表1 機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表 機械手的控制器 日本三菱公司生產(chǎn)的可編程序控制器控制器具有40個輸入點、40個輸出點。滿足機械手5個步進電機位置測量及控制的要求。系統(tǒng)控制的電路如圖4-2 所示。包括4 部分: 光電編碼器、輸入接口電路、PLC、輸出接口電路。 位置檢測與輸入接口電路位置反饋信號是通過光電編碼器而得到, 每個步進電機輸出軸上都裝有光電編碼器, 通過它實現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進行檢測, 光電編碼器主要是由控制電路板、紅外光電耦合器及遮光盤組成, 紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu), 固定于槽

12、形框內(nèi), 遮光盤固定在電機轉(zhuǎn)軸上, 遮光盤為5孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器原理電路圖如圖4-2 所示。其中, R3 用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流,以保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光具有足夠的強度。R1、R2 用于調(diào)節(jié)A、B 相的光敏接收管的工作電流,以確保光耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時, 光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光, 通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通, 兩端電壓發(fā)生相應(yīng)變化, 從A、B 輸出脈沖信號。光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6 個相位差為30。的A、B 兩相6 個脈沖。正、反向測速A、B 兩相脈沖波形如圖4-3 所示。 從A、B 輸出的脈沖信號

13、為電平信號, 不能直接連接到PLC 的輸入端。還要經(jīng) 過轉(zhuǎn)換電路將電平信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號, 再送入PLC 輸入端。圖2 中IC、R4、T1 就是為此而設(shè)計的計數(shù)接口電路。IC 是一個異或門, 將兩路脈沖信號合成一路信號。西門子PLC 有高速一相一輸入計數(shù)器, 本文用到的計數(shù)器為C235∽C240 , 其相應(yīng)計數(shù)輸入端為X0∽X5。 4.4 控制軟件設(shè)計 利用PLC 對機械手進行控制, 需要將手爪的運動控制轉(zhuǎn)化為對機械手的直流伺服電機的控制。為了使手爪準(zhǔn)確到達(dá)所要求的位置, 需要精確計算出每個電 機所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度, 即根據(jù)手爪在運動空間的初始位置和目標(biāo)位置計算出在空間坐標(biāo)系中的相對運動

14、量, 并將其換算成PLC 控制的內(nèi)部指令。各關(guān)節(jié)運動如圖4-1 所示。電機2、3、4 控制的關(guān)節(jié)始終在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動, 而電機1 所控制的關(guān)節(jié)始終在關(guān)節(jié)2、3、4 所處的垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動, 電機5 控制手腕的轉(zhuǎn)動。 PLC 內(nèi)部應(yīng)用程序運行后, 首先, 腰部電動機M1根據(jù)PLC 指令開始運轉(zhuǎn), 相應(yīng)計數(shù)器進行計數(shù), 計數(shù)器計滿數(shù)據(jù)后, PLC 輸出控制指令, 使M1 停止轉(zhuǎn)動,同時啟動M2、M3、M4、M5 一起動作, M2、M3、M4、M5 轉(zhuǎn)動到位后均停止轉(zhuǎn)動, 手爪抓住物體后, 電機M2、M3、M4、M5 重新運轉(zhuǎn), 將物體提高至某一高度后停止, 然后啟動電機M1 轉(zhuǎn)動至預(yù)定位置后,

15、M2、M3、M4、M5 動作放下手爪, 而后M2、M3、M4、M5 動作回位, 機械手回到起始位置。設(shè)計程序是通過PLC 的內(nèi)部計數(shù)器來對電動機進行控制。電動機轉(zhuǎn)動時, 光電編碼器輸出與電機轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。PLC 的內(nèi)部通用計數(shù)器的計數(shù)頻率小于10Hz , 輸入脈沖信號的頻率遠(yuǎn)大于這一頻率, 因而必須使用PLC 內(nèi)部的高速計數(shù)器。PLC 高速計數(shù)器的輸入端是固定的, 高速計數(shù)器采用中斷處理方式的計數(shù)方式, 與PLC 的內(nèi)部頻率無關(guān)。采用的高速計數(shù)器是C235、C236、C237、C238、C239,對應(yīng)的計數(shù)輸入端是X0、X1、X2、X3、X4、。因為各個高速計數(shù)器的計數(shù)輸入固定,

16、所以輸入端口被占用后, 另外的計數(shù)器就不能使用。因而無論電動機的正反轉(zhuǎn)都采用同一個計數(shù)器, 這就產(chǎn)生了一個問題,即每次計數(shù)前, 計數(shù)器都要清零, 這就會影響前一個過程已經(jīng)計數(shù)過的計數(shù)器的輸出動作。于是我們就采用了一個輔助繼電器來控制輸出, 這樣不會影響前一個流程已經(jīng)有輸出的計數(shù)器。 計數(shù)器輸入為X0∽X5 , 高速計數(shù)器自動讀取相應(yīng)輸入端的數(shù)值, 在程序里面不需要對其編程, 只需對計數(shù)器設(shè)定一個計數(shù)初值啟動。X6∽X13 為單個電機正轉(zhuǎn)手動控制輸入端, 各輸入控制相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)動,X14∽X21 為單個電機反轉(zhuǎn)手動控制輸入端。X22 為自動啟動按鈕, PLC 運行后, 按下X22 將自動運行

17、程序。X23 為手動啟動按鈕, 只有按下X23 后, X6∽X13 與X14∽X21 才有效, X22 和X23 不能同時按下。 4.5 plc控制梯形圖 參考文獻(xiàn) [1] 張建民，工業(yè)機械人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988 [2]宋立權(quán). 機械基礎(chǔ)實驗.北京：機械工業(yè)出版社 2005 [3]吳宗澤，羅圣國. 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊 北京：高等教育出版社 1999 [4]天津大學(xué)《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組，工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)。天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1980 [5] 熊有倫，機器人技術(shù)基礎(chǔ)。武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996 [6]王庭樹，機器人運動學(xué)及動力學(xué)。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1990 [7]彭文生 黃華梁 等，機械設(shè)計基礎(chǔ)。武漢：華中理工大學(xué)出版社，2003.3 [8]張展主編，實用機械傳動設(shè)計手冊，科學(xué)出版社，1994.6 第1 版 第11頁 共45頁