基于PLC控制的机械手臂设计研究

电子科技大学毕业设计(论文)V第一章引言机械手在机械加工中得到了越来越多的应用和快速的发展。目前，本产品已被广泛应用于机床、模锻压力机的焊接、上下料、喷漆等方面，通过按照预先设定的工作步骤编制程序，同时具有感应和反馈功能，能够适应各种复杂环境的变化。机械臂在一定程度上会出现抓取偏差，会导致零件乃至机器自身的损伤，而一旦有了感应反馈，机器人便能根据反馈信号进行调整。采用机械手，能有效地改善物料输送、装卸工件、更换刀具、组装设备、物料抓取等的自动化程度，从而使工人的劳动生产效率得到提高，减少工人重复简单劳动强度，生产成本得到降低，使工业生产的机械化、自动化水平得到加速提升。第二章PLC控制的机械手臂相关理论2.1机械手机械手是一个可以模仿人体或手臂的运动能力的自动操控装置，它能够根据确认的程序来抓取、搬运、码垛或操纵工具。机械手是最早研究出来的一种工业机械，同时更是最早研究出来的一种能够代替人们复杂工作的机械，让整个生产工作实现机械化、自动化，避免让人们在不安全的环境中工作，最终确保生命安全保，所以说在机械制造、冶金、电子、轻工、原子能等行业中得到了广泛的应用。在目前网络技术智能技术发展的同时，机器人的网络化智能运作问题也将成为今后发展的趋势。工业机器人是近年来兴起的一种高技术的、自动化的制造装置[1]。工业机械臂是一个重要的工业机器人。它的优势是可以完成很多类型的工作，同时集中了人和机器的优势，特别是人的随机应变能力和适应性。这种机器人的工作准确度高，可适应各种工作环境，所以说，它的应用场景非常多。机械手是在自动化和机械化工作中不断发展起来的一种新机械。目前，机械手在工业生产中的应用最为广泛，其研发与生产工艺已在高科技领域取得了长足的进展，并使机械手的进展加快，使机械手与机械化、自动化相结合。机器人虽然不能做到人类的灵活多变，但是能够重复工作，没有任何疲劳和恐惧，还可以举起更大的东西，因此，机器人在许多工业领域都得到了重视和应用。塑料机械是国内发展最为迅速的工业部门，对塑料机械的需求也在不断增长。国内塑料机械产业的快速发展，有两个重要的因素：一是对高科技设备备的需求，使设备不断更新，旧设备逐渐淘汰；二是我国的塑料行业发展很快，其它行业对塑料制品的需求很大。2.2机械手工作原理机器人是一种利用特定的程序软件，可以对机器人进行自动定位，并以各种不同的运动方式，达到预定的功能。它具有多种自由度，可以在任意的空间中自由移动，制造工厂部分高端机器人配备相应的驱动器采用六轴控制，来模拟人体手臂六个自由度，一些工厂由于工艺技术或者环境需求，可增加第七轴功能，来实机器人本体在一个水平方向上的移动，满足多个设备上的需求。操纵机构是由操纵杆、驱动杆和执行部三部分构成的。在这些部件中，执行部件包括手臂和身体。手柄可以被固定在胳膊的顶端。机器人的手臂可以模拟人类的手指，所以很有弹性。在此设计中，采用了夹紧式汽缸，实现了夹持和移动部件的作用。在设计时，可根据所托工件的尺寸及外形，配备多种卡盘，以满足各种作业零件抓取或者码垛要求。它的作用是引导空气钳精确地抓取工件，并将其移至其他位置。普通的机器人手臂有两种动作，一种是直线运动，一种是旋转运动。机机器人身体主要用于安装手臂，动力源，以及各个执行器[2]。传动部件用于带动由压缩空气作为动力能源的夹具，同时也可将工件吸入，实现预定的功能。可以在任何时候改变被捕获的工件位置。这种传动装置可以进行升降、旋转、前后运动，称为机器人的自由度。本设计是以机械臂为主体，得以实现具体工作内容的控制方式。它的全部功能都是由特定的硬件控制系统来完成的，再加入一个传感系统，以完成对动作的反馈，形成半闭环检测，从而达到更高的稳定性和准确性。2.3机械手的整体结构机器人具体包括腕部、机体、手部、手臂等部位。为了实现强度和平衡，机身为圆型，与支承板相连，承载了整个机器人手臂的受力和动作，是机械臂的主要受力元件。为了达到强度的要求，采用有限元方法对其进行了应力分析，并对其结构进行了优化。机械臂的伸缩运动是通过内壁和外壁的相互协作来实现的，从而使其达到最小的结构尺寸。而臂部的提升动作，通过螺母与螺母之间的啮合，使旋转变成了运动。在结构设计中，为了提高整体的工作效率，采用了两个导引机构，通过对螺纹的结构参数进行合理的设计，使其在运动过程中保持平稳，以防止因偏转力矩而引起的不连续的运动[3-4]。手腕为法兰构造，法兰结构可在转动时向外侧伸出，液压传动的范围在00-1800之间。手部为操作的执行部件，其作用是通过手指的开闭运动来实现。将两根手指置于腕部，以铰链型销轴相结合，构成旋转对，由小臂的伸缩运动带动手指围绕其旋转销轴进行开启和关闭[5]。该结构为V形块体结构，亦可选用内导向楔角、圆弧外抱式、直线防滑结构，并可依工件的外形及夹持力而随时更换，从而减少了使用费用，提高了其通用性。2.4PLC技术理念在可编程控制器的控制中，技术人员可以根据一定的算法调整输入和输出，并用物理方法验证转换的过程。在现阶段PLC的控制流程中，输入、输出转换和物理实现是其最基本的组执行成。其次，可以在实际的实现中凸显PLC的应用特性。有关技术人员要根据对象、内容、手段、组织、产品环境等六各方面控制需求，分析各种影响因素，及工艺要求上的特殊特性提高工业控制的效率，使控制系统的应用更加灵活[6]。

第三章机械手臂控制方式与可编程序控制3.1机械手臂控制方式的选择3.1.1控制方式的分类在工业装置中，传统的自动化控制方式多采用继电器或分立线路，但它的缺点是：（1）只适用于简单的逻辑控制；（2）只适用于特定的工程，不具有普遍性：（3）不能进行修改和优化。进入21世纪以来，工业自动化技术的日新月异，中国的工业自动化已经从继电器向计算机控制进步，它的主要优势在于：（1）在硬件上至少要配备一台单片机；（2）控制的想法由软件编制特定的程序来实施。3.1.2控制方式的选定PLC自诞生至今，历经20余年的发展，现已在美国，欧洲和日本等工业发达国家中占有一席之地。PLC具有强大的生命力，因为它更符合工业领域和市场需求：可靠性高，抗各种干扰。安装程序简单，价格低，接线方式简单，减少了一些执行电气原件的使用，成本降低，延长了使用寿命。相对于单片机来说，它的输入和输出更接近于现实，不需要添加任何的中间部件或者添加一个界面，这大大减少了人的金钱和时间。PLC的下端是继电器、晶体管、可控硅等控制元件，而上层通常为使用者使用的微机[7]。当人们操作这个设备的时候，不需要通过任何电脑操作方面的专业培训，就能够快速上手操纵和编程可编程控制器，使用到各个复杂的工业自动化控制工作。3.2可编程序控制器3.2.1PLC的结构PLC与普通微机一样，由硬件与软件两大部分组成。PLC的软件主要包括两个方面，一个是由厂商固定在系统的程序内存中，一个是用户编写的，另一个是把它输入到用户的程序内存里，用来控制外界物体的运行；应用是用户为特定的控制目标而编写的程序。按照不同的控制需求，编写相应的程序，等效于转换其功能，编写人员可以方便地将程序输入到PLC内的内存，并方便地读取、检查和修改。硬件部分主要包括电源部件、外设I/O接口、微处理器、编程器、输入/输出扩展接口、存储器等周边设备。由地址总线、控制总线、电源总线、数据总线等总线组成[8]。图3-1。图3-1PC硬件结构图3.2.2PLC的特点可编程控制器是基于继电器技术、通讯技术、计算机技术等技术而开发出来的一种新型控制器，其在工业控制中得到了广泛的应用。该系统以单片机为核心，通过程序控制程序，实现了计数、定时、逻辑控制、算术等功能。高可靠性：（1）所有的输入、输出接口都使用了光电隔离的方法，将外围电路和PLC的内部线路隔离开来；(2)每个输入端都有一个具有通常10-20ms1的滤波时间常数1的R-C滤波器；（3）为了避免辐射的干扰，每个原件都有一个保护罩；(4)选用高品质的开关功率；(5)严格筛选所用装置；(6)具备较强的自我检测能力，一旦出现供电或其它软、硬件出现异常情况，CPU都能迅速进行处理，避免了故障的持续恶化；(7)两个或三个中央处理器组成的表决系统，能够使系统的可靠性有所提高。丰富的I/0接口模块适用于各类工业领域，例如：切换、电流、AC、DC、电压、模数、脉冲、电位、强弱等。在工业上，有相应的输入、输出模块，如：接近开关、调节阀、传感器、线圈、按键、传感等。采用模块化结构：为了适应各种工业控制的需要，大多数可编程控制器采用模块化设计。程序设计简便：大部分PLC程序采用的是与继电器控制电路相似的梯形图形，用户无需电脑方面的专业知识，易于为普通工程师所理解和掌握。安装简便，维护方便：PLC无需专用机房，能在不同的行业中直接使用。在使用过程中，只要将现场的各类仪器与PLC的对应输入输出端子相连，就可以正常工作[9]。综上所述，可编程控制器是一种专门用于工业领域的计算机。该系统的输入/输出界面丰富，驱动性能好。但是，可编程控制器并没有为特定的工业应用而开发，它的硬件配置要按实际需求来选择，软件也要按照控制需求来设计和编写。3.2.3PLC的主要功能PLC作为一种广泛使用、发展迅速的工业自动化设备，在整个生产过程中起着非常重要的作用。PLC控制系统具有一下功能：1、实现了多种控制功能；2、采集、处理、存储数据；3、通讯网络功能；4、输入输出接口调节功能；5、人机界面功能；6、编程调试功能[10]。PLC的功率、重量、硬件、体积成本都在不断降低。另外，可大大减少PLC的投产、编程、设计的时间，成本也大大降低。随着现场总线技术的不断发展，PLC产品必将迎来新一轮的变革，以适应更高的工业和民用领域的要求。第四章PLC控制的机械手臂设计4.1机械手各部件的设计4.1.1机械手手爪结构设计手爪是用来抓取、测量、携带等方面的操作工具，可以使得工作过程更加快捷有效。在设计机械手手爪结构时，采用了更坚固、高效的安装材料。按照不同的操作方法与测量完成作业量的不同，手爪结构也有着不同的设计方案，手爪结构设计中，主要应用于搬运、加工、测量等方面，需要尽量的保证手爪结构体积小、重量轻、结构缜密、广泛的实用性等特点，并且基于现如今时代的发展，计算机网络技术也同步与手爪结构设计协同进行，实现易于计算机的控制[11]。总之，在设计机械手爪的过程中，根据具体的实际情况，采用合理的设计方案，该方案中采用了杠杆式原理，通过活塞的推动作用，推动杠杆的手抓力和夹紧力，在与弹簧的联合作用下，共同保证了手爪的运行工作，图4-1。图4-1机械手末端执行手爪结构图4.1.2机械手手腕结构设计机械手的手腕是支撑手爪进行工作的主要动力，利用合理的材料进行相关的设计。能产生相对应的空间结构，在一定的空间范围内手爪能进行相关的作业，有效的完成工作要求。因此，机械手手腕的设计需要保证结构轻巧而且敏姐易操作，结构需要紧凑，保证每一步的工作都能有效的进行。在设计过程中，还要根据手腕的自由度范围进行相关的设计工作，一般情况下的自由度数目越多，手腕的灵活性也会越强，根据作业要求，保证机械手运行过程中各部件能协调进行，同时手腕的硬度和强度也要得要保障，设计有可靠的传动间隙调整结构，大大提高传感精确度。其次，手腕的关节处需要设计开关限位，以减少机械在运转过程中的损坏。总之，机械手手腕的设计，根据材料需求，结构尽量的简洁，考虑合理利用有效资源，材料设计达到满足设计的要求，见图4-2。图4-2手臂、手爪连接结构4.1.3机械手手臂结构设计机械手手臂结构是机械手在运转过程中又一个重要的结构组成，需要承载一定的重量，在负荷的范围内，做到机械手应尽的职责，在运行过程中具有一定的速度限制，工作过程中也由于机械手手臂的长度或者手臂关节等受一定的影响，因此，在机械手手臂尺寸的结构设计中，充分考虑各方面因素，并且为了提升工作运转的速度以及效率，可以控制机械手运动的频率从而有效控制精准度，同时，由于运转过程受结构和环境因素影响，需要尽可能的把外界因素的干扰降到最低，机械手手臂的各关节轴线是平行的，它们之间的轴线必须在一个点上相交，这样就可以使机械手运转过程更加简单有效，还有利于相关技术人员对机械手的控制。由于机械手手臂的运动路径为直线，还需要考虑到运转物体的重量等问题，所以对于机械手的安全性和刚度有着较大的要求，在机械手运转的过程中需要选择液压的驱动方式，这种驱动方式可以实现位置的连续控制，通过液压直接给予动力支持，实现手臂结构的直线运动，同时，机械手手臂的小臂设置两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的形式，能够使得结构保持较强的稳定性。4.1.4机械手的机械传动机构设计机械手的传动机构是用来保证机械手运转的精确度以及稳定性的结构组成，因此，对于该结构的设计需要严格把控，在该结构设计中，需要结构的紧凑性良好，重量保持较轻的结构，体积微小易控制，在传动链副中利用间隙调整，使得结构误差减小，提高运动过程的精准度[12]。机械传动机的结构设计中包含很多部件，各部件协调工作，在简化的结构基础上能够保持较强的运作能力，加大了工作的运转空间，使得机械手能够平稳的运转，高强度的外科和高精度的制造能力。4.1.5机械手手臂的平衡机构设计上述简述了机械手手臂的结构设计，由于手臂关节的重要性，机械手手臂的平衡机构需要加以重视。所谓平衡机构，就是能利用自身特点保持相对的平衡，以减少驱动器的压力，可以有效的缩短启动的时间。在机构设计理念中，要把控好平衡机结构的设计，保证工程造价合理，工作可靠有序进行，并且机构的组成部件要易维修，应用范围广，还可以根据弹簧的弹性程度来平衡机构，如果运转过程中平衡性不良，需打开弹簧结构设置，进行机构的平衡调整。4.2机械手控制系统构件机械手的系统部件构成采用了实验教学装置，利用数学模型建设出来，它由气缸、滚珠丝杆、气夹、滑竿等机械部分组成，此外，还有直流电机、开关电源、步进电机、电磁阀、传感器等电气构件。下面通过电气方面的构成部件进行分类分析。4.2.1步进电机在步进电机的构成要件中，为合理的控制构件，通常采用二相八拍混合式步进电机，在与滚珠丝杠的配合过程中，可是使机械手的运动性更加灵活，同时还可以使得运动效率较高，保证了运动频率，在串联的连接方法中，有着定位转矩等优点[13]。总之，步进电机是机械手电气应用方面的设备，有着重要的支持作用。4.2.2步进电机驱动器步进电机的驱动器由信号输入与输出、电源输入构成。有关该驱动器结构的数据见表4-1：表4-1电气规格说明最小值典型值最大值单位供电电压182440V均值输出电流0.2111.50A逻辑输入电流61530mA步进脉冲响应频--100kHz脉冲低电平时间5--µs表4-2电流设定电流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05AOFFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表4-3细分设定细分倍数步数（18°整步）SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF表4-4接线信号描述信号功能PUL脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步DIR方向信号：用于改变电机转向，TTL平驱动OPTO光耦驱动电源ENA使能信号：静止或允许驱动器工作，低电平禁止GND直流电源地+V直流电源正极，典型值+24VA+电机A相A-电机A相B+电机B相B-电机B相总之，驱动器的组成结构及含义结果分析如图表所示。4.2.3传感器传感器是用来传输感应的机器，在该设备中有接近开关和行程开关，可以通过适当的调整基座和气夹上的金属，使得传感器的感应更加的明显。在接近开关设备中，有三条不同的连接线即棕、兰、黑三种，在与PLC之间就是通过这种连接线连接，当传感器工作运转时，输出端对地接通，PLC信号输入良好；在行程开关过程中，与接近开关不同的是档位可以更加简单有效的变化，档位碰到开关后，常开点闭合[14]。总之，两个开关的协调配合会使得传感器的工作效率大大提高，如图4-3。图4-3传感器工作原理图4.2.4直流电机驱动单元直流电机的驱动方式是通过继电器的断开与吸合来控制电动机的旋转方向，因为受到底座和空气夹的影响，所以在直流电动机驱动装置中，必须同时完成气夹与基座的正反转换。在该设备的装置机构中，使用了一种有效的输入与输出的装置，并将其与OUT信号输入端、PLC的接口端相连接，并且还将PLC与OUT相，前者接入到后者的电源副端，在该工作部件中有八个接口，四个用来输入电力支持，四个用来输出，信号的改变也受到输入和输出电力的影响，总之，具体图像受工作环境的改变，见图4-4。图4-4电平转换板原理图4.3机械手动作实现过程机械手的工作是通过直流电机与步进电机协同工作来完成工作的，见图4-5，机械手的动作有的时候是缓慢的，有的时候是快速的，步进电机需要驱动器，只有在输入了脉冲的时候，才会有动作，如果是换向的话，就需要方向信号。同时，通过对气夹与基座的操纵，使信号更容易传输。通过电磁阀来控制机械手的松夹，当线圈通电时，机械手是放松的，线圈断电后又处于夹紧状态，在之后的工作运转过程中，打开电源后，开机复位，输入脉冲信号和电平信号，在一系列开关的控制条件下，机械手完成动作运作[15]，如图4-6所示，经历八个步骤后完成一次抓取动作循环，在循环条件下机械手完成高效动作。图4-5机械手结构示意图图4-6机械手的动作示意图4.4PLC程序设计4.4.1I/O点数的确定及PLC类型的选择I/O点数的要求基于机械手的实验装置结构，为更好的控制电机的运行过程，需要电气控制的仪器合理需求，以致对计算的PLC能够有效的连接和控制，在开关电源结构上I/O点数不多，仅需要输出点十一个，九个输出点，在PLC类型的选择过程中，综合考虑价格、稳定性等各方面的因素，选择日本三菱公司生产的一种FX1N-24MT-D型号的主机，该型号的的输入点有充裕的十四个，以及十个输出点，可以满足本次设计的需求。4.4.2PLC的I/O分配根据机械手的动作要求和机械手实际操作的实验过程，分析出了相关输入和输出点的分配示意图。气夹的正反转限位输入分别为XO、X1，基座的正反转限位是X2、X3,旋转脉冲为X4,X的前后限位是X5、X6，Y轴的前后限位是X7.X10,启动按钮为X11,复位按钮为X12,PUL中的驱动器一和二为输出设备，输出为Y0.Y1,DIL中驱动器为Y2.Y3,气夹正转ML为Y4,气夹反转MR为Y5,基座反转MR为Y6,基座正转ML为Y7，气夹电磁阀YV＋为Y10，如表4-5所示。表4-5PLC的I/O分配表名称输入名称输出气夹正转限位X0驱动器一PULY0气夹反转限位X1驱动器二PULY1基座正转限位X2驱动器一DIRY2基座反转限位X3驱动器二DIRY3旋转脉冲X4气夹正转MLY4X轴前限位X5气夹反转MRY5X轴后限位X6基座反转MRY6Y轴上限位X7基座正转MLY7Y轴上限位X10气夹电磁阀YV+Y10启动按钮X11复位按钮X124.4.3编程指令的选择在选择编程命令时，有三个场景可供选择。第一种，就是启动保停电路的编程方法，这种方法简单明了，只需要线圈与触电相关的指令就可以了，不过这个程序的代码很多，而且需要消耗一定的时间和精力。第二种是采用转换中心的编程方式，该程序过程可以将复杂的程序过程变成程序功能图的形式，简单明了的观看一一对应的关系，对数据的观察和分析有着很大的帮助。第三种采用STL指令的编程方式对数据更易于维护和修改。4.4.4PLC程序的调试对于PLC程序的调试是对机械手运作有序进行的重要步骤，为保证PLC正常、安全、可靠的运行，对该设备的调试至关重要。调试过程概括为输入电线，电源接线和接地检测对地绝缘电阻三个过程，三个过程共同协调工作运转，可以直接性的避免电压的冲击危害；完成以后，还要检查该工艺装置的主控制回路和主回路的接线是否正确，并在人工模式下进行单体动作试验，检查所有从PLC中收到的接触器线圈、继电器和其它执行部件及其与输出组件之间的连接，并验证它们的正确性；对回路电阻进行测量和记录，并对地绝缘电阻进行记录。在必要的情况下，应根据输出节点的电源电压等级为输出回路供电，从而保证输出回路没有发生短路。不然，如果输出点向输出回路供电，模块可能会因短路而损坏。

总结该项目采用PLC进行自动控制，减少硬件接线、时间继电器、中间继电器等环节，从而使整个系统的可靠