机电专业毕业论文--多关节机械手控制系统的设计.doc

摘 要本设计选择西门子S7-200系列PLC设计出完整的多关节机械手控制系统。硬件部分介绍了利用PLC进行控制系统设计的步骤；软件部分阐述了程序设计思路，并给出部分梯形图。本系统应用于生产线上，利用机械手执行传递轴承等动作。关键词S7-200；PLC； 多关节；控制系统设计； Abstract The design choices Siemens S7-200 series PLC to design a complete multi-joint robot control system. Hardware section describes the use of PLC control system design steps; software part of the described programming ideas, and give part of the ladder. The system used in the production line, the mechanical hand movements such as the implementation of transmission bearings.KeywordsS7 200；PLC; Multi-joint; control system design; 目录摘 要1目录21. 概述31.1 多关节机械手简介31.2 多关节机械手控制系统的功能要求42. 系统总设计62.1 多环节机械手的机械结构62.2 多关节机械手的工作原理73. 硬件系统配置93.1 PLC选型103.2 PLC的I/O资源配置103.3 其他资源配置124. 软件系统设计134.1 总体流程设计134.2 各个模块梯形图设计145. 安装调试方面的问题286. 总结28参考文献281. 概述1.1 多关节机械手简介随着我国工业自动化水平的不断提高，在机械加工与制造领域，以及各种装配与包装自动化生产线上，机械手的应用已相当普遍。机械手通常担负着上料、下料，搬动或装卸零件的重复动作等，以实现生产自动化。由于PLC顺序控制具有系统简单、可靠、控制灵活方便等特点，而且PLC从诞生之日起，最基本，最普遍的应用领域就是在工业环境下的顺序控制，因此，基于PLC顺序控制的机械手在工业自动化领域中得到广泛的应用。机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 多关节机械手指的是利用关节连接两个相邻的刚体，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中，关节多是其中的一个特点，正是由于关节多，所以它的抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状，不规则工件的抓握。多关节机械手有多种结构，其中最理想的也是应用最多的就是类似于人手的机构，这样的机构能模拟人手抓握的情况。与传统机械手相比，多关节机械手具有动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过集体和工件机械之间的障碍物进行工作等优点。1.2 多关节机械手控制系统的功能要求在机械行业中，大部分产品的装配生产线不是采用人工装配的形式就是采用传统的继电器式的控制系统，公认的劳动强度大，产品质量不易保证，同时继电器经过长期使用后，容易发生故障，维修工作量大，而且生产控制灵活性差、控制过程复杂、控制过程不易改变。在装配线上采用PLC控制多关节机械手可以完成精确定位的要求，提高产品质量，降低工人的工作量，由于PLC编程简单、组合灵活、可靠性高、控制灵活性高，可根据控制流程的不同，方便地改变控制顺序来满足工艺要求。轴承装配是轴承生产过程中的最后且极为重要的环节，而轴承压盖机则是装配线上较为复杂的部分。本课题讲述的是利用多关节机械手在一个轴承装配线上，通过PLC控制机械手的动作，完成取轴承、加盖及转移工件，最后控制压盖机完成压盖的整个过程。如图1所示为某一生产线上机械手的工作示意图。图1 机械手的工作示意图该机械手在生产线上的主要任务是，将轴承从传送带1转移到传送带2上，然后将盖放置于轴承之上，最后经过压盖机加工，完成呢个轴承装配的一部分加工。整个工作过程机械手包括以下动作：手臂上升手臂下降手爪抓紧手爪放松手臂左旋手臂右旋。多关节机械手完成以上动作主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的左右旋转，电磁阀驱动气缸的升降控制手臂的上升和下降，多关节机械手的工作过程如图2图2 多关节机械手简单工作过程示意图（1）手臂上升：使机械手相对工作台向上移动，提高它的高度，以满足抓取工件的高度要求。（2）手臂下降：使机械手相对于工作台向下移动，降低它的高度，以满足放置工件的高度要求。 （3）手爪抓紧：使多关节机械手抓紧工件，以便完成工件抓起的要求。 （4）手臂放松：使多关节机械手放松工件，以便完成工件松开的要求。（5）手臂左旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向左旋转，以便完成工件移动的要求。（6）手臂右旋：使机械手在不改变高度的情况下，相对于工作台向右旋转，以便完成再次抓取工件的要求。由于PLC得抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制人物，为了使设备便于安装、调试，以，以及从经济角度考虑，设计出如图3所示的多关节机械手控制系统的功能图。对于机械手部分，在上文已作过比较详细的介绍，在电气柜中，主要将一些仪器、仪表置之其中，既减少外界工业环境的影响，又方便检测、维修。电气控制柜结构如图4所示，电气柜中的部分线路与机械结构连接，通过继电器、电磁阀等器件对电动机、气缸等进行控制，还有一部分与控制台的按钮连接。在电气柜内部，需要安装一些显示仪表及一些驱动转换电路板，这些仪器表用来显示和调试机械手基本参数，例如，电流，电压。电路板则用于转换、放大各类传感器的信号，并用PLC的控制信号驱动外部的机械结构，例如，气缸等设备。图3 多关节机械手控制系统的功能原图图4 电气柜的结构2. 系统总设计多关节机械手主要包括两个方面：一个是机械方面的设计；另一个就是电气控制方面的设计。这两个方面既相互独立，又有很多联系，在设计机械结构的时候不仅需要电器部分是否能够实现，而且也需要考虑是否存在加工时的问题；在设计电气部分时，也需要考虑是否有这样的机械机构能够满足要求。2.1 多环节机械手的机械结构 多指多关节的机械结构是最理想的机器人手爪,其每个手指的各个关节都各有一台独立的电机驱动,并配有传感和控制系统,使手爪能完全模拟人手动作。 下面介绍的是一种目前常用设计且设计比较成熟的机械手，简略描述机械手几个关键部分的设计过程。2.1.1 多关节机械手机座的设计该机械手主要由机座和手臂两部分组成。几座的主要任务是支撑和完成手臂回转，实现其在摸个空间的运动。电动机固定在基座上，机座和大臂由转动灵活的交叉转子轴承连接，大臂的上端关节用于支撑小臂。机座的外形采用方形机构，电动机固定在机座上，通过谐波减速器把动力传送到固定在大臂上的齿轮，带动大臂在水平面内回转。2.1.2. 多关节机械手臂关节的设计此机械手臂的动力靠同步带传递，他的运动通过臂关节的摆转来进行，为保证同步带传输的连接性和关节的正常摆转。当手臂运动到所需要的位置时，通过控制器使电磁铁带电，离合齿受到吸引力向右转动而脱离，并于牙嵌盘啮合；同时制动器张之洞，使整个手臂在制动器的作用下达到平衡，关节停止摆转，手臂停止在所需要的位置上。2.1.3 多关节机械手的平衡系统设计除了机械手的结构以外，机械手的平衡设计也很重要。由于在机械手的操作过程呢个中会有回转等动作，此时就需要利用力矩平衡的原理来进行结构设计。机器人系统最简单的平衡方式就是配置平衡，这是一种作为工业机器人的平衡方式为气动平衡。在这个机械手中，采用同步带将动力传递给各关节，为了保证手臂的精确定位和平稳性，在各关节处都设有一个电磁制动平衡系统。电磁制动平衡系统装在关节内部，其离合齿的离与合随着控制信号的变化而变动。当电磁铁得到电时离合齿脱离，同时使制动器制动而平衡手臂，手臂就停止运动。当电磁铁失电时离合齿在弹簧力的作用下啮合，同时制动器打开，手臂恢复运动。当手臂运动到所需要的位置时，通过控制器使电磁铁带电吸引离合器右移，将离合器脱离，使得制动器开始制动，停止关节的摆转，令手臂停在设定的位置上。2.2 多关节机械手的工作原理 在此机械手中，电动机被置于机座上，电动机启动后，通过谐波减速器将动力传递给固定在大臂上的齿轮，带动大臂在内部有圆锥齿轮和带轮，动力通过齿轮传到圆锥齿轮和同步带上，再由同步带将动力传给各关节，从而带动机械手爪的运动，完成对工件的操作。 现在研究和应用较多的是五指十五关节手爪结构，其结构如图5图5五指十五关节手爪结构原理这个类型的多关节机械手，采用的是机器人手爪，每个手指的各关节都有一台相互独立的直流电动机驱动，并且每个手指都配有传感器和控制系统，这样每个手指的动作都是互不影响的，使手爪能够模拟人手的动作可以抓取各种形状的工件。如果抓取的工件形状不规则，工件的中心与手爪的中心不相同，这时就可以利用五个手指相互独立的特点。它们的弯曲程度可以不同，因此对工件的形状具有适应性。先接触到工件的手指关节由于先收到较大的压力而无法继续压紧之后，其他未接触的手指仍然可以继续弯曲，直到所有的手指都接触到物体，因此可以完全抓紧工件，同时由于有传感器的检测，所以不会因为抓取工件的抓力太大造成对工件的损害。 多指多关节机械手爪抓规则形状物体和不规则形状物体的工作示意图如图6所示图6抓握原理示意图 直流电动机启动后，通过谐波减速器减速后，带懂动丝杠旋转使螺母在导向杆中上下移动，同时落幕的移动带动连接五个手指的第一指节运动。五个手指安装在弹性支座上，同时在弹性支座上还有五根拔杆连接第二指节上的凹槽，这样的机械结构可以使第一指节在运动的时候，使第二指节围绕第一、二指节间的关节运动，实现了一个电动机控制多指的要求。同样在第一指节的下端装有固定拔杆与第三指节的凹槽连接，实现了第三指节同时随第一、二指节的转动而绕第二、三指节间的关节轴运动，从而形成了指节联动的控制结构。3. 硬件系统配置前两节叙述了多关节机械手的机械结构，本节主要根据上节所述的功能要求配置所需要的控制系统，按照终止系统的控制要求，设计出如图7所示的控制系统的硬件框图。在此系统中仅靠PLC主机是无法完成呢个控制要求的，因此扩展了一个I/O和两个模拟量输入输出模块，以及两个光电开关和一个可控电动机。 图7 控制系统的硬件框图3.1 PLC选型根据系统的控制要求并从经济性和可靠性等方面来考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此多关节机械手控制系统的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等之分。本设计所用多关节机械手控制系统共有18/个数字量输入，9个数字量输出，共27点I/O点数，以及程序容量，选择了CPU224作为其主机。3.2 PLC的I/O资源配置根据控制系统的功能要求，对PLC进行I/O及其他资源的分配，具体分配如下。3.2.1 数字量输入部分在这个控制系统中，要求数字输入的有急停按钮、手动/自动按钮，以及上、下、左、右限位开关、光电开关等共18个输入点，具体分配如表1所示。 表1 数字输入地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备10.0高速脉冲输入11.1自动启动10.1急停按钮11.2上升限位开关10.2手动/自动11.3下降限位开关10.3手臂上升11.4左旋限位开关10.4手臂下降11.5右旋限位开关10.5手臂左旋12.0传送带1光电开关10.6手臂右旋12.1传送带2光电开关10.7手爪抓紧12.2传送带2启动11.0手爪松开12.3压盖机启动3.2.2 模拟量输入部分在这个系统中需要采集手指上传感器的信号，所以扩展了两个模拟量输入模块，一共有5个模拟量的输入，具体分配如表2所示。 表2 模拟量输入地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备AIWO传感器1AIWO传感器4AIWO传感器2AIWO传感器5AIWO传感器33.2.3 数字量输出部分这个控制系统的外部设备主要由上升/下降电磁阀、左旋/右旋继电器、抓紧/松开电磁阀，以及控制传送带2启停的继电器，共9个数字量输出，具体分配如表3所示。 表3 数字输出地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0高速脉冲输出Q0.5抓紧电磁阀Q0.1上升电磁阀Q0.6松开电磁阀Q0.2下降电磁阀Q0.7传送带2继电器Q0.3左旋继电器Q1.0压盖机继电器Q0.4右旋继电器3.3 其他资源配置要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块以外，还需要各种限位开关、光电开关、传感器及编码盘等仪器设备。 3.3.1 各种限位开关在此系统中，共用了4个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关和右旋限位开关。限位开关主要是用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。3.3.2 光电开关在传送带1和传送带2上各有一个光电开关，此开关的作用主要用来指示工件是否到位。传送带1上的光电开关并用于检测工件是否到机械手可操作的工位，若到位则传送带1停止，等待工件被取走；传送带2上的光电开关则置于压盖机处，当工件到达压盖及时，传送带2停止，对工件进行压盖操作，操作结束后等待下一个工件。3.3.3 传感器此系统应用的是多关节机械手，由于要适应各种形状的工件，所以要在手指受力的部分安装压力传感器，将压力值转换为电压值传入PLC，然后进行判断，防止抓紧时压力过大对工件造成损坏。3.3.4 各种电磁阀此系统中机械手手臂的上升和下降是用气缸来实现的，使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降，相对利用电动机的正反转来实现升降，气缸控制简单方便。多关节机械手手爪的抓紧和松开共用了四个电磁阀。（1）上升电磁阀：控制气缸驱动机械手手臂上升到设定位置。（2）下降电磁阀：控制气缸驱动机械手手臂下降到设定位置。（3）抓紧电磁阀：控制电动机使机械手手爪做抓紧动作。（4）松开电磁阀：控制电动机使机械手手爪做松开动作。3.3.5 各种继电器此系统中，传送带2并不需要时刻连续的运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的控制系统来控制传送带2的工作与否，该在什么时候启动传送，该在什么时候停止传送。因此，就必须要在传送带2的电动机部分装一个可以控制电动机运转和停止的继电器，再连接到PLC以控制接触器，最后达到控制目的。压盖机同样也不需要时时刻刻工作，因此在压盖机附近放置的光电开关，可以将工作到位的信号传至PLC，从而控制传送带2的停止，并且控制压盖机在工件到位的情况下工作。3.3.6 编码盘在此系统中，需要对机械手进行精确定位，所以在手臂左右转动的时候，要将电动机反馈的信号同PLC发出的信号相比较，以检测是否手臂准确到位。3.3.7 各种按钮急停按钮采用带锁的，常闭触点，按下后旋转复位；手动/自动按钮采用旋钮，一边常闭，一边常通；其余按钮采用触点触发方式，按下即接通，松开即复位。 4. 软件系统设计4.1 总体流程设计根据系统的控制要求，此机械手工作时的动作有以下几个步骤。（1）旋钮置于自动方式，按下启动按钮，工作台开始工作。（2）机械手在气缸的驱动下上升至设定位置，同时传送带1开始运行。（3）机械手在到达设定的高度后，手臂开始左旋至设定位置，同时传送带1上的光电开关检测工件是否到位。（4）若传送带1上的工件到位，则机械手在气缸上的驱动下下降至设定位置；如果工件未到位，则机械手在上限位置等待工件到位。（5）工件到位后，机械手下降至设定位置后，机械手爪开始抓紧工件。（6）手爪抓紧工件后，机械手上升至设定位置。（7）上升到位后，机械手开始右旋设定位置。（8）手臂右旋到位后，开始下降至设定位置。（9）下降到位后，手爪松开，放下工件，同时开始计时，时间为5秒。（10）放下工件后机械手再次上升至设定位置。（11）上升到位后，手爪抓紧端盖。（12）下降至设定位置，手爪松开将端盖置于工件之上。（13）定时时间到，传送带2启动，将工件送到端盖处。（14）工件到位，传送带2停止，压盖机工作。若没有收到停止信号，则机械手上升，继续重复步骤（2）到（14）；若受到停止信号，则停止所有PLC设备，使多关节机械手的所有动作停止。4.2 各个模块梯形图设计 当软件总体流程图设计完成之后，就需要对各个控制系统进行分解细化，这样在程序编写时就会简介明了，最后联合起来调试时也便于发现问题。当控制过程特别复杂的时候采用模块化设计，就显得尤为重要。采用模块化的设计，调试时先调试摸个模块的功能，可以及早发现问题，到最后联调时若出现问题就可以很快找出原因及时解决。程序中用到的元件及设置如表4所示 表4 元件设置编号意义内容备注M0.0急停标志on有效M0.1手动标志on有效M0.2自动标志on有效M1.0机械手上升标志on有效M1.1手臂左旋标志on有效M1.2机械手下降标志on有效M1.3手爪抓紧工件状态on有效M1.4机械手上升标志on有效M1.5手臂右旋标志on有效M1.6机械手下降标志on有效M1.7手抓松开工件标志on有效M2.0机械手上升标志on有效M2.1手爪抓紧端盖标志on有效M2.2机械手下将标志on有效M2.3手爪松开端盖标志on有效M2.4传送带2启动状态on有效M2.5压盖机启动状态on有效T37一个循环结束后等待时间on有效VW01#传感器值存储单元on有效VW22#传感器值存储单元on有效VW43#传感器值存储单元101sVW64#传感器值存储单元VW85#传感器值存储单元VW10抓取工件的标志压力值存储单元VW20抓取端盖的标准压力值单位由于机械手的控制过程是按顺序执行的，所以在程序编写的时候采用顺序控制指令。多关节机械手控制系统梯形图如图8所示图8（a）多关节机械手控制系统梯形图图8（b）多关节机械手控制系统梯形图图8（c）多关节机械手控制系统梯形图图8（d）多关节机械手控制系统梯形图图8（e）多关节机械手控制系统梯形图图8（f）多关节机械手控制系统梯形图图8（g）多关节机械手控制系统梯形图如图7所示的是控制系统的主程序，图7（a）所示中主要是对高速计时器和高速脉冲输出指令进行初始化。对于高速计时器，选用高速计时器HSCO，工作方式为模式0，输入口为10.0。设置HSCO的功能为：复位和启动输入信号都是高电位有效、4倍计数频率、技术方向为增计数、预设脉冲数为10000个、允许更新双子和执行HSC指令。对于高速脉冲输出控制，设置为脉冲输出方式，输出口为Q0.0。脉冲的输出设置为多段管线输出，本例中采用三段输出，写控制字到特定存储器中，完成设置的功能为：时间基准为us级、不允许更新周期和脉冲数。由于是多段输出，所以还需要建立包络表，对3段的脉冲周期，数量进行设置，多关节机械手控制系统多段脉冲输出梯形图如图8所示。手臂的左右旋转采用步进电动机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用到高速计数器和高速脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，如果相等，则定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后到达设定的位置上。图9 多关节机械手控制系统梯形图 图10 (a) 多关节机械手控制系统梯形图值1处理子程序梯形图图10（b) 多关节机械手控制系统梯形图 值2处理子程序梯形图如图8表示的是对步进电动机的脉冲输出控制，本例采用3段脉冲输出，由于步进电动机本身的特性启动频率不宜太高，所以在启动阶段输出的脉冲周期为500ms，且周期逐步减少，缓慢提高其输出脉冲频率；在第二阶段，输出脉冲周期为50ms，在这个阶段手臂的移动式最快的，当快到达设定位置的时候，同样不可以突然使频率降低到0，需要逐渐降低脉冲的频率值，所以第三阶段的脉冲周期为200ms，电动机逐步减速，到达设定位置后能可靠停止。如图9所示多关节机械手控制系统传感器值1处理子程序梯形多关节机械手控制系统传感器值2处理子程序梯形图，都是针对传感器采集到的值传到PLC处理的子程序，由于机械手爪在每次加工过程中，都需要移动两个工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防