機械手控制系統(tǒng)設(shè)計
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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 機械手的機械和控制系統(tǒng)1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究,是為了開發(fā)在正常環(huán)境(如廚房或客廳)下能夠和人類合作和互動的機器人系統(tǒng)。設(shè)計這些機器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下(如身處多物之中),幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時,它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得,即所謂的多指機械手或機器人手。上文提到的研究項目,就是要制造一個人形機器人,此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構(gòu)合作制造,它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR(過程控制和機器人技術(shù)研究院)和c(計算機應(yīng)用科學(xué)研究院)。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗,但是稍有不同的觀點。IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手(如圖1所示),是一個四指相互獨立的手爪,我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手(如圖17所示)是作為殘疾人的假肢。 圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手 圖2. IAI開發(fā)的流體手2. 機器人手的一般結(jié)構(gòu)一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng):機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng),我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹,然后用卡爾斯魯厄靈巧手演示一下。3. 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外,還確定驅(qū)動器(如電動機)、傳感器(如位置編碼器)的位置。3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計將對機械手的靈活度起很大的作用,即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設(shè)計一個機器人手的時候,必須確定三個基本要素:手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件,至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度(3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度),每個手指必須具備3個獨立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是,為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話,至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置,可以采用兩種方法:擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用,并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜,因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置,常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”,因此可減少加工費用,同時也可是控制系統(tǒng)簡化。3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響,因為它決定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮:運動來源和運動方向。在這方面,文獻里描述了有幾種不同的方法,如文獻3中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動,或者,正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下,運動驅(qū)動器(如電機)太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起,因此,這個運動必須由驅(qū)動器(一般位于機器臂最后的連接點處)轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式,如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法,或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度,同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化,因為每根手指的不同關(guān)節(jié)常常是機械地連在一起,但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點,因此小型化的運動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。3.3 傳感系統(tǒng)機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器: 1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外,知道手指作用在被抓物體上的力,就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點,同時也可避免不正確的抓取,如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落,從而避免物體因跌落而損壞。3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下,這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話,它也能控制物體的姿態(tài)(位置和方向),從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng),有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如,如在電動機和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器,那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器(在齒輪前或齒輪后)來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話,就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手的機械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作,卡爾斯魯厄靈巧手(KDH)由4根手指組成,且每根手指由3個相互獨立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用(圖3所示)和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此,我們選用四個相同手指,將它們作對稱、非擬人化配置,且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90(圖4所示)。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計中得到的經(jīng)驗,比如因傳動帶而導(dǎo)致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題,卡爾斯魯厄靈巧手采用了一些不同的設(shè)計決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中(圖5所示)。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器(在齒輪前)此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 圖3.工業(yè)機器人上的KDH 為了感知作用在物體上的手指力量,我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器(圖6所示)。這個傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用,且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體,同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外,3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDH的手掌上(圖5所示)。因為有3個這樣的傳感器,因此不僅可以測量3單點之間的距離,如果知道物體的形狀,還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz,它能檢測和避免物體的滑落。 圖5. KDH的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器4. 控制系統(tǒng)機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用,這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述,控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件??刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個的條件:1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如,一具有9個自由度的低級手,其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口,且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話,則端口數(shù)量將增加號幾倍。2. 需具備對外部事件快速實時反應(yīng)的能力。例如,當(dāng)檢測到物體滑落時,能立即采取相應(yīng)的措施。3. 需具備較高的計算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。4. 控制系統(tǒng)的體積要小,以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說,若沒有的話,很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。4.1 控制硬件為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求,控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口(馬達和傳感器),因此控制器尺寸很小,能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力,且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。因此,控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成,它的一端是微控制器,而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來,比如總線系統(tǒng)。4.2 控制軟件機器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制,同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此,為了減少問題的復(fù)雜性,就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目,它的編程環(huán)境如用戶界面,編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪,以滿足機械手的特殊控制要求。4.3卡爾斯魯厄靈巧手的控制系統(tǒng)如在4.1節(jié)中所說,對于卡爾斯魯厄靈巧手的控制硬件,采用了一種分布式方法(圖7所示)。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器,另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器(激光三角傳感器)。這些微控制器(圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱)直接安裝在手上,所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機(圖7、圖8中的灰色方塊)是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊(一臺電腦最多有8個相鄰模塊)使用雙端口RAM進行快速通信(圖7中暗灰色方塊所示)。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。 圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計算機 一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(tǒng)得到,并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為(手指作用在物體上的可行抓取位置點)?,F(xiàn)在知道了物體的運動計劃,就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡,并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了,那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài),它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定,用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸,那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器,以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。圖9. KDH的手部控制系統(tǒng)5. 實驗結(jié)果為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手的能力,我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)(位置和方向)的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn),這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手對復(fù)雜任務(wù)的操作能力。5.1 物體姿態(tài)控制這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實時條件通過在線獲得,盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中,球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計。因此,物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手來說,其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡,而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)(傾斜)結(jié)果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制,圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定,這和期望的一樣。 圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體 額外的不期望傾斜情況 傾斜情況物體狀態(tài)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如,機器人(手臂、手或手指)或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗,這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失,就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力,我們做了以下的實驗:物件被抓后,將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后,物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14,它顯示出物體滑落啟動的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落,這樣物體的位置(這里:特別是X方向,就是滑落的方向)和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。 圖14.滑落實驗:X方向的實際物體 圖15.滑落實驗:關(guān)于Z軸的實際 位置 物體方向5.2 重抓雖然卡爾斯魯厄靈巧手非常的靈活,但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實:手指相對于正常的工業(yè)機器人來說是十分小的,因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住,那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱??尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制,一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個接觸點到達了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時,這個手指就必須從物體上脫離,并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指,就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子,就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時,此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸,并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置,這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸,另一個手指此時可以重新定位(沒有顯示)。所有的手指重新定位之后,協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動繼續(xù)進行。視具體情況而定,卡爾斯魯厄靈巧手也可以同時進行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程,但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手將一個木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半,然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位(圖c到圖e)。那之后,前面與后面的手指也重新定位(圖f)。那之后,整個木柱被拉出,從而可進行進一步的操作(沒有顯示)。 圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱6.結(jié)論為了使機械手能夠完成靈活精確的操作,一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的,正如文中所說??査刽敹蜢`巧手表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制,即使在外部干擾的情況下。此外,由于此系統(tǒng),復(fù)雜的精細操作(如重抓)也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領(lǐng)域,基于一個不同的概念叫做流體化(圖2所示)的基礎(chǔ)上,小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是,這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機械手所用。10 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯題目 平面連桿機構(gòu)的運動仿真專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 078105107學(xué) 生 姓 名 季壯壯指 導(dǎo) 教 師 許瑛填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書論文(設(shè)計)題目: 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)號: 2010963125 姓名: 王彬 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師: 系主任: 一、主要內(nèi)容及基本要求 機械手在專用機床及自動線上應(yīng)用十分廣泛,主要用于搬運或裝卸零件的重復(fù)動作,以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 1、對機械手及控制系統(tǒng)進行設(shè)計:實現(xiàn)原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作;搬運過程平穩(wěn)可靠。 2、繪制一張總裝配圖。 3、獨立完成程序控制設(shè)計,設(shè)計符合控制要求的程序。 4、論文字數(shù)要求:8000字以上。 二、重點研究的問題 1、選用常見的搬運機械手進行研究,實現(xiàn)其功能。 2、上升、下降、夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 3、電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 4、運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換。 三、進度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱資料、熟悉設(shè)計內(nèi)容2013.12.21-2014.1.222開題報告、制訂設(shè)計方案2014.1.232014.3.103機械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計2014.3.112014.4.204寫出初稿2014.4.212014.5.105修改,寫出第二稿2014.5.112014.5.206寫出正式稿2014.5.212014.5.317答辯2014.68四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 王本軼. 機床設(shè)備控制基礎(chǔ)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 2 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制J. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. 3 王炳實. 機床電氣控制M. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. 4 蔣少茵. PLC控制的機械手J. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22. 5 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制J. 機床電器. 2006, (3): 34-49. 6 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計D. 南昌: 南昌大學(xué). 2012. 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題 目機械手控制系統(tǒng)設(shè)計姓 名王彬?qū)W號2010963125 專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級機械四班指導(dǎo)教師徐志遠職稱講師填寫時間2014年 03 月 19 日2014年3月說 明1根據(jù)湘潭大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)工作管理規(guī)定,學(xué)生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告,由指導(dǎo)教師簽署意見,系主任批準(zhǔn)后實施。2開題報告是畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計(論文)工作前期內(nèi)完成,開題報告不合格者不得參加答辯。3畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告各項內(nèi)容要實事求是,逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴(yán)謹,語言通順,外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞,須注出全稱。4本報告中,由學(xué)生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述,應(yīng)不少于2000字。5開題報告檢查原則上在第24周完成,各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后,應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報告。6. 填寫說明:(1) 課題性質(zhì):可填寫A工程設(shè)計;B論文;C. 工程技術(shù)研究;E.其它。(2) 課題來源:可填寫A自然科學(xué)基金與部、省、市級以上科研課題;B企、事業(yè)單位委托課題;C校級基金課題;D自擬課題。(3) 除自擬課題外,其它課題必須要填寫課題的名稱。(4) 參考文獻不能少于10篇。(5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四,表格所留空不夠可增頁。本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué)生姓名王彬?qū)W 號2010963125專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師徐志遠職 稱講師所在系機電系課題來源自擬課題課題性質(zhì)工程設(shè)計課題名稱機械手控制系統(tǒng)設(shè)計一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況選題依據(jù)隨著社會進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化。從手工作坊式的勞動,逐步演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式,人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程,所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具-機械手。 機械手也被稱為自動手,能模仿人手和臂的某些動作功能,用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。研究和使用機械手可以實現(xiàn)現(xiàn)代化和自動化生產(chǎn),從而減輕勞動強度和避免傷害。課題的意義機械手的應(yīng)用可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。研究和使用機械手可以提高生產(chǎn)效率,節(jié)約勞動成本,符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求,同時還可以避免勞動者在生產(chǎn)中受到傷害。國內(nèi)外基本研究情況目前,在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點,其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下:A機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。B工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日見小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。C機器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。D關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計;柔性仿形噴涂機器人開發(fā),柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā),仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究,控制系統(tǒng)開發(fā);E焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真??偟膩碚f,大體是兩個方向:其一是機器人的智能化,多傳感器、多控制器,先進的控制算法,復(fù)雜的機電控制系統(tǒng);其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系,滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人,主要采用性價比高的模塊,在滿足工作要求的基礎(chǔ)上,追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠,大量采用工業(yè)控制器,市場化、模塊化的元件。二、研究內(nèi)容、預(yù)計達到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案和主要措施研究內(nèi)容本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計,包括硬件的選擇和軟件的設(shè)計。本課題所研究的是常見的搬運機械手,我們對其動作的自動化實現(xiàn)進行設(shè)計,其主要內(nèi)容包括硬件的選擇和軟件的設(shè)計,硬件的選擇主要有電機的選型,傳動的實現(xiàn),傳感器的選擇等等,而軟件的設(shè)計其主要內(nèi)容就是軟件的選擇,選用哪一種軟件來進行自動化系統(tǒng)的設(shè)計和編寫程序,以及最后的調(diào)試等。預(yù)計達到目的1. 上升,下降,夾緊等動作的實現(xiàn)手段。2. 電動機正反轉(zhuǎn)的控制。3. 運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換4. 完成基本設(shè)計后要達到以下要求:實現(xiàn)原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作;搬運過程平穩(wěn)可靠,斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。關(guān)鍵理論和技術(shù)機械手的工作原理:機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下,采用機械傳動方式,來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的,有順序,有運動軌跡,有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令,必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視,當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。在這里雖然不對機械手的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,但仍需對其有一定的了解,這里做簡要介紹。(一)執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的還增設(shè)行走機構(gòu)。1、手部即與物件接觸的部件由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是由夾持部件和傳力機構(gòu)共同構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件,常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?;剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少,其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但平移型手指夾持圓形零件時,工件直徑變化不影響其軸心的位置,因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手臂(包括大臂和小臂) 是連接手部和手臂的部件,并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件,并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位臵。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合,以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部分,機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上,故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。在這里選擇采用電機驅(qū)動和機械傳動方式。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng),它支配著機械手按規(guī)定的程序運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令,必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視,當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置,并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置.技術(shù)指標(biāo)1在傳輸帶A端部,安裝了光電開關(guān)PS,用以檢測物品的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品時為ON狀態(tài)。2.機械手在原位時,按下起動按鈕,系統(tǒng)起動,傳送帶A運轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后,傳送帶A停。3傳輸帶A停止后,機械手進行一次循環(huán)動作,把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉(zhuǎn))上。4.機械手返回原位后,自動再起動傳送帶A運轉(zhuǎn),進行下一個循環(huán)。5按下停止按鈕后,應(yīng)等到整個循環(huán)完成后,才能使機械手返回原位,停止工作。6.機械手的上升下降和左移右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn),每個線圈完成一個動作。7.抓緊放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成,線圈通電時執(zhí)行抓緊動作,線圈斷電時執(zhí)行放松動作。8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關(guān)控制。9.抓緊動作由壓力繼電器控制,當(dāng)抓緊時,壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制(設(shè)為1s)。完成課題的方案和措施研究步驟、方法:(1)了解執(zhí)行機構(gòu):1)多關(guān)節(jié)機械手;2)多關(guān)節(jié)機械手的工作原理。 (2)硬件選擇:1)PLC選型;2)光電開關(guān);3)傳感器;4)各種電磁閥;5)繼電器;6)編碼盤;7)按鈕。(3)軟件編程:1)總體流程設(shè)計;2)各模塊梯形圖設(shè)計;3)系統(tǒng)調(diào)試。三、主要特色及工作進度主要特色機械手主要由執(zhí)行機構(gòu),驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。手部是用來抓持弓箭(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,本設(shè)計中主要采用夾持型。運動機構(gòu)使手部能完成實現(xiàn)原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作,完成搬運過程,計劃設(shè)計運動機構(gòu)時有三個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制,來完成原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作。同時接收傳感器反饋來的信息,形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心是由PLC構(gòu)成,通過對PLC編程實現(xiàn)所要的功能。工作進度(1)2014年01月23日到2014年03月10日 查閱資料,熟悉設(shè)計內(nèi)容(2)2014年03月11日到2014年03月20日完成開題報告,制定設(shè)計方案(3)2014年03月21日到2014年04月20日機械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(4)2014年04月21日到2014年05月10日寫出初稿(5)2014年05月11日到2014年05月20日修改,寫出第二稿(6)2014年05月21日到2014年05月31日寫出正式稿(7)2014年06月答辯四、主要參考文獻(按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出)1 王本軼. 機床設(shè)備控制基礎(chǔ)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 2 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制J. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. 3 王炳實. 機床電氣控制M. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. 4 蔣少茵. PLC控制的機械手J. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22.5 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制J. 機床電器. 2006, (3): 34-49.6 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計D. 南昌: 南昌大學(xué). 2012. 7 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京航天航空出版社.20098 郭艷萍.基于PLC的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器,2007,9(9):31-329 蔡自興.機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略J.機器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,76(4):11-16.10 王勤.計算機控制技術(shù)M南京:東南大學(xué)出版社, 2003.11 http:/epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx指導(dǎo)教師意 見指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日系意見系主任簽名: 年 月 日院意見 教學(xué)院長簽名: 年 月 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書題 目:機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué) 號: 2010963125 姓 名: 王 彬 指導(dǎo)教師: 徐志遠 完成日期: 2014年05月20日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書論文(設(shè)計)題目: 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)號: 2010963125 姓名: 王彬 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師: 徐志遠 系主任: 一、主要內(nèi)容及基本要求 機械手在專用機床及自動線上應(yīng)用十分廣泛,主要用于搬運或裝卸零件的重復(fù)動作,以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 1、對機械手及控制系統(tǒng)進行設(shè)計:實現(xiàn)原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作;搬運過程平穩(wěn)可靠。 2、繪制一張總裝配圖。 3、獨立完成程序控制設(shè)計,設(shè)計符合控制要求的程序。 4、論文字數(shù)要求:8000字以上。 二、重點研究的問題 1、選用常見的搬運機械手進行研究,實現(xiàn)其功能。 2、上升、下降、夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 3、電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 4、運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換。 三、進度安排序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱資料、熟悉設(shè)計內(nèi)容2013.12.21-2014.1.222開題報告、制訂設(shè)計方案2014.1.232014.3.103機械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計2014.3.112014.4.204寫出初稿2014.4.212014.5.105修改,寫出第二稿2014.5.112014.5.206寫出正式稿2014.5.212014.5.317答辯2014.68四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 王本軼. 機床設(shè)備控制基礎(chǔ)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 2 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制J. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. 3 王炳實. 機床電氣控制M. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. 4 蔣少茵. PLC控制的機械手J. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22. 5 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制J. 機床電器. 2006, (3): 34-49. 6 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計D. 南昌: 南昌大學(xué). 2012. 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱表學(xué)號 2010963125 姓名 王彬 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化四班 畢業(yè)論文(設(shè)計)題目: 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo),體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求,達到綜合訓(xùn)練的目的;2.難度、份量是否適當(dāng);3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力;2.是否有綜合運用知識的能力;3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力;4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力;5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文(設(shè)計)質(zhì)量1.立論是否正確,論述是否充分,結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹合理;實驗是否正確,設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué);技術(shù)用語是否準(zhǔn)確,符號是否統(tǒng)一,圖表圖紙是否完備、整潔、正確,引文是否規(guī)范;2.文字是否通順,有無觀點提煉,綜合概括能力如何;3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值,有無創(chuàng)新之處。綜合評 價評閱人: 2014年 月 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)鑒定意見 學(xué)號: 2010963125 姓名: 王彬 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文(設(shè)計說明書) 28 頁 圖 表 1 張論文(設(shè)計)題目: 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 內(nèi)容提要: 機械手在現(xiàn)代化自動化生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛,它的應(yīng)用和普及為自動化生產(chǎn),安全生產(chǎn)提供了有力的條件,其中在機械手的應(yīng)用和普及中最為核心的就是機械手的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)是機械手的大腦和靈魂,它指揮著機械手完成特定的動作,實現(xiàn)其相應(yīng)的功能,在本次設(shè)計中,機械手的主要作用是進行搬運,因此其實現(xiàn)的動作有原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位,這些動作的實現(xiàn)使得機械手能過完整地完成一次物件的搬運,從而節(jié)約物力和人力,有利于提高生產(chǎn)效率,節(jié)約成本。該機械手的形狀和構(gòu)成如附件1中圖所示,而其控制功能的實現(xiàn),這里選用的是西門子公司的S7-200軟件,通過編寫的程序(如附件2,3),控制系統(tǒng)指揮各電子元件來完成其功能。指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師: 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長: 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任: 年 月 日目 錄第1章 緒論 11.1 課題研究目的及意義 11.2 國內(nèi)外機械手研究概況 11.3 課題研究的內(nèi)容和預(yù)計達到目的 2第2章 機械手介紹 32.1 機械手驅(qū)動系統(tǒng)選型 32.2 機械手控制系統(tǒng)選型 5第3章 S7-200系統(tǒng)的基本介紹 83.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成 83.2 S7-200PLC內(nèi)部資源 9第4章 電機和傳感器選擇 11 4.1 電機選擇 11 4.2 傳感器選擇 12第5章 控制部分設(shè)計14 5.1 電機正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn) 14 5.2 PLC程序編寫 15 5.3 PLC程序調(diào)試 24第6章 總結(jié) 26致謝 27主要參考文獻 28第1章緒論1.1課題研究的目的和意義機械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學(xué)科,并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中,機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視??傊瑱C械手是提高勞動生產(chǎn)率,改善勞動條件,減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展??删幊绦蚩刂破?PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展,PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步,已經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等,而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性,如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué),因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多,如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機器人等。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。本次課題設(shè)計的機械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。通過此次設(shè)計可以更進一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識,了解世界先進水平,盡可能多的應(yīng)用于實踐。1.2 國內(nèi)外機械手研究概況機械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來,經(jīng)過40多年的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機電設(shè)備。目前,正式投入使用的絕大部分機械手屬于第一代機械手,即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng),沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官,主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官,仍然以程序控制為基礎(chǔ),但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?,F(xiàn)在,第三代機械手正在第一、第二代機械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來,它是能感知外界環(huán)境與對象物,并具有對復(fù)雜信息進行準(zhǔn)確處理,對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物,具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺,能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作,具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能。目前機械手技術(shù)有了新的發(fā)展:出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)(如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等)、機械手化機器、智能機械手(不僅可以進行事先設(shè)定的動作,還可按照工作狀況相應(yīng)地進行動作,如回避障礙物的移動,作業(yè)順序的規(guī)劃,有效的動態(tài)學(xué)習(xí)等)。機械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴展,并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊。國外方面:近幾年國外工業(yè)機械手領(lǐng)域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高,而單機價格不斷下降;機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展;控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展;傳感器作用日益重要;虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。國內(nèi)方面:目前在一些機種方面,如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手(水下、爬壁、管道、遙控等機械手)基本掌握了機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù),解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置,軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù),還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù);在基礎(chǔ)元件方面,諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說,我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術(shù)的基礎(chǔ)。1.3課題研究的內(nèi)容和預(yù)計達到目的本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計,包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計。通過設(shè)計編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計出人機界面,進行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接,實現(xiàn)動畫連接,實現(xiàn)機械手的監(jiān)控。通過MCGS將機械手的動作過程進行動畫演示,使機械手的動作形象化。提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機械手運行狀態(tài),為維修和故障診斷提供多方面的可能性,充分提高系統(tǒng)的工作效率。本課題要達到的目的有:1.機械手的機構(gòu)能滿足其動作要求,實現(xiàn)相應(yīng)功能。2.上升,下降,夾緊等動作的實現(xiàn)手段。3.電動機正反轉(zhuǎn)的控制。4.運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換4.完成基本設(shè)計后要達到以下要求:實現(xiàn)原位下降夾緊上升右移下降放松上升左移原位的動作;搬運過程平穩(wěn)可靠,斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。第2章機械手介紹在本課題中機械手主要是由執(zhí)行機構(gòu),控制系統(tǒng),驅(qū)動系統(tǒng)三部分所構(gòu)成。其中執(zhí)行機構(gòu)即機械手的機械部分,由于此課題主要研究的是通用機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計,所以在這里不需要再另外進行機械部分的設(shè)計,所以這里只做簡要的介紹。顧名思義在本課題中執(zhí)行機構(gòu)即是指機械手,而機械手又由手指,關(guān)節(jié),大臂,小臂,支座等幾部分構(gòu)成,通過這幾部分來模擬人手臂,以期完成需要的動作實現(xiàn)其功能。與此同時在該裝置中驅(qū)動系統(tǒng)主要采用電機驅(qū)動,通過電機來給予整個裝置提供動力和運動支持,它的選擇是經(jīng)過與其他驅(qū)動方式相互比較后得來的,這一點在后面的論文中會有詳細的介紹。最后關(guān)于機械手的控制系統(tǒng)的選擇及其控制功能的實現(xiàn),由于PLC軟件具有簡單易學(xué),使用和維護方便,運行穩(wěn)定可靠,設(shè)計施工周期短等優(yōu)點,因此這里選擇的是PLC(可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)。2.1機械手驅(qū)動系統(tǒng)選型 該機械手一共具有三個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),連同末端機械手的運動,一共需要三個動力源。機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長,各種驅(qū)動方式的特點見表1表2-1三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率 很大,壓力范圍為50140Pa大,壓力范圍為4860Pa,最大可達Pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性,控制精度較高,輸出功率大,可無級調(diào)速,反應(yīng)靈敏,可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大,精度低,阻尼效果差,低速不易控制,難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高,功率較大,能精確定位,反應(yīng)靈敏,可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制,伺服特性好,控制系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)速度 很高較高 很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng),執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化,易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大,體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,密封問題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng),執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化,易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大,體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,密封問題較小伺服電動機易于標(biāo)準(zhǔn)化,結(jié)構(gòu)性能好,噪聲低,電動機一般需配置減速裝置,除DD電動機外,難以直接驅(qū)動,結(jié)構(gòu)緊湊,無密封問題安全性防爆性能較好,用液壓油作傳動介質(zhì),在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好,高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險,直流有刷電動機換向時有火花,對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油,對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機械手中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動,電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手,如沖壓機械手本體的氣動平衡及裝配機械手氣動夾具適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手,如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便,但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點,通常對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有:1)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕,單位質(zhì)量的輸出功率要高,效率也要高;2)反應(yīng)速度要快,即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大,能夠進行頻繁地起、制動,正、反轉(zhuǎn)切換;3)驅(qū)動盡可能靈活,位移偏差和速度偏差要??;4)安全可靠;5)操作和維護方便;6)對環(huán)境無污染,噪聲要?。?)經(jīng)濟上合理,尤其要盡量減少占地面積?;谏鲜鲵?qū)動系統(tǒng)的特點和機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求,本文選用電機驅(qū)動的方式對機械手進行驅(qū)動。2.2機械手控制系統(tǒng)選型傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實現(xiàn),這種控制方式投資相對少一些,目前僅在一些舊式的、簡單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場,但該控制方式卻有以下致命缺陷:(1)僅適合于簡單的邏輯控制;(2)僅適合特殊的工程項目,而沒有通用性;(3)沒有改動和優(yōu)化的可能性。伴隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展,我國工業(yè)領(lǐng)域的自動化已經(jīng)基本實現(xiàn)了從繼電器控制到計算機控制的轉(zhuǎn)變,計算機控制方式具有以下兩個特點:(1)硬件上至少有一個微處理器;(2)通過軟件實現(xiàn)控制思想。目前,工業(yè)自動化領(lǐng)域比較典型的控制方式有:(1)可編程序邏輯控制器(PLC);(2)工業(yè)控制計算機(IPC);(3)集散控制系統(tǒng)(DCS)。下面對著三種控制方式做簡要的介紹和對比: 計算機是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面,總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高,兼容性強,軟件資源豐富,特別是有實時操作系統(tǒng)的支持,故對要求快速、實時性強、模型復(fù)雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng),所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢,初期主要用在連續(xù)過程控制,側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來,主要應(yīng)用在工序控制上,初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng),側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展,PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎(chǔ)上,增加了數(shù)值運算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能,增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊;運算速度提高,CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機;通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN),因而也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線,暨向下拓展功能,開放總線。在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下,從硬件的角度來看,PLC、工業(yè)計算機、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小,都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。由于PLC和計算機屬于兩類產(chǎn)品,經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具,實際上它們的區(qū)別仍然存在。PLC用編程器或計算機編程,編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。特別需要提出的是,PLC與STD總線工控機的區(qū)別,無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行,但在線運行時若要進行較大的程序修改,其能力略遜于STD工控機,但是從開關(guān)量控制而言,PLC的性能優(yōu)于STD工控機。總的來說,在選擇控制器時,首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的,也沒有哪種產(chǎn)品絕對差,只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品。PLC實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng),其控制功能基本都是通過設(shè)計軟件來實現(xiàn)的,這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng),根據(jù)機械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計。PLC自問世以來,經(jīng)過20多年的發(fā)展,在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要產(chǎn)業(yè),當(dāng)前,PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品,用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。PLC之所以有生命力,在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求:高可靠性、強抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機,它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備,不需添加太多的中間部件或需要更多的接口,這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件,而上端一般是面向用戶的微型計算機。人們在應(yīng)用它時,可以不必進行計算機方面的專門培訓(xùn),就能對可編程控制器進行操作及編程,用來完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC具有很多的優(yōu)點。機械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制,體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴展等特點,可以根據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求。機械手采用PLC控制技術(shù),可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度,減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線,提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時,用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程,增強控制功能。綜上所述,機械手的控制方式選擇PLC控制(這里采用最新版的S7-200系列PLC).第3章S7-200系統(tǒng)的基本介紹S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC,其許多功能達到大、中型PLC的水平,而價格卻和小型PLC一樣,因此,它一經(jīng)推出,即受到了廣泛的關(guān)注。在2000年以前,西門子在中國市場的PLC產(chǎn)品主要是大中型的PLC,日本的小型PLC占據(jù)了中國的大部分市場份額。在S7-200推出后,這種情況得到了明顯的改變,最近幾年以來的小型PLC市場上S7-200成為了主流產(chǎn)品。西門子最早的小型PLC產(chǎn)品是在上世紀(jì)末推出的S7-200CPU21*系列的PLC,但很快就被CPU22*系列的產(chǎn)品所取代了。由于它具有多種功能模塊和人機界面(HMI)可供選擇,所以系統(tǒng)的集成非常方便,并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件,使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單,幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)?,F(xiàn)在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的,它的主要特點是:較高的可靠性,豐富的指令集,豐富的內(nèi)置集成功能,實時特性強和強大的通信能力。3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成S7-200PLC屬于小型PLC,其主機的基本結(jié)構(gòu)是整體式,主機上有一定數(shù)量的輸入/輸出(I/O)點,一個主機單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進行靈活的擴展,如果I/O點數(shù)量不夠,則可以增加I/O擴展模塊;如果需要其他特殊的功能,則可以增加相應(yīng)的功能模塊。一個完整的系統(tǒng)組成由主機單元,擴展單元,特殊功能模塊,相關(guān)設(shè)備,軟件五部分構(gòu)成,其構(gòu)成如圖3-1所示。圖3-1主機單元:又叫基本單元或CPU模塊。它是由CPU、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等組成,是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng),可以單獨完成一定的控制任務(wù)。擴展單元:也稱擴展模塊。當(dāng)主機I/O點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時,用戶可以根據(jù)需要擴展各種I/O模塊。根據(jù)I/O點數(shù)的數(shù)量不同(如4點,8點,16點等),性質(zhì)不同(如DI,DO,AI,AO等),供電電壓不同(如DC24V,AC220V等),I/O擴展模塊有多種類型。每個CPU所能鏈接的擴展單元的數(shù)量和實際所能用的I/O點數(shù)是由多種因素共同決定的。S7-200的I/O擴展模塊有EM221,EM222,EM223,EM231,EM232,EM235等。在此次的控制系統(tǒng)設(shè)計中由于其主程序的網(wǎng)絡(luò)有三十多條但PLC只提供了25條輸入網(wǎng)絡(luò)因此需要用到一個輸入擴展模塊EM221,這里選擇使用一個16點的DC。特殊功能模塊:當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時,需要擴展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置,如運動控制模塊,特殊通信模塊等。相關(guān)設(shè)備:相關(guān)設(shè)備是為充分利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā),使用的一些設(shè)備,主要有編程設(shè)備,人機操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。軟件:軟件是為管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序,對S7-200PLC來說,與其配套的軟件主要有編程軟件STEP7-Micro/WIN和HMI人機界面的組態(tài)編程軟件ProTool,WinCC fexible。在這里選用的是STEP7-Micro/WIN軟件。3.2 S7-200PLC內(nèi)部資源軟元件:用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出,內(nèi)部存儲單元,定時器等都稱作軟元件。軟元件有其不同的功能,有固定的地址。軟元件的數(shù)量決定了可編程控制器的規(guī)模和數(shù)據(jù)處理能力,每一種PLC的軟元件數(shù)量是有限的。在該設(shè)計方案中,需要用到的軟元件有輸入繼電器,輸出繼電器,通用輔助繼電器,變量存儲器,定時器等。1.輸入繼電器位于PLC存儲器額的輸入過程映像寄存器(Process-Image Input Register)區(qū),其外部有一對物理的輸入端子與之對應(yīng),該觸點用于接收外部的開關(guān)信號,比如按鈕,行程開關(guān),光電開關(guān)等傳感器的信號都是通過輸入繼電器的物理端子接入到PLC的。當(dāng)外部的開關(guān)信號閉合,則輸入繼電器的線圈得電,在程序中其常開觸電閉合,常閉觸電斷開。這些觸點可以在編程時任意使用,使用次數(shù)不受限制。每個輸入繼電器都對應(yīng)有一個映像寄存器,在每個掃描周期的開始,PLC對個輸入點進行采樣,并把采樣值通過輸入繼電器送到映像寄存器。PLC在接下來的本周期各階段不在改變輸入映像寄存器中的值,直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。實際輸入點數(shù)不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量,具有地址而未用的輸入映像區(qū)可能有剩余,它們可以做其他編程元件使用,但為了程序的清晰和規(guī)范,建議不報這些未用的輸入繼電器作為它用。2.輸出繼電器位于PLC存儲器的輸出過程映像寄存器(Process-Image Outout Register)區(qū),都有一個PLC上的物理輸出端子與之對應(yīng)。當(dāng)通過程序使得輸出繼電器線圈得電時,PLC上的輸出端開關(guān)閉合,可以作為控制外部負載的開關(guān)信號。同時在程序中其常開觸電閉合,常閉觸電斷開。這些內(nèi)部的觸點可以在編程時任意使用,使用次數(shù)不受限制。在每個掃描周期的輸入采樣、程序執(zhí)行等階段,并不把輸出結(jié)果信號直接送到輸出繼電器,而只是輸出映像寄存器;只有在每個掃描周期的最后階段才將輸出映像寄存器中的結(jié)果同時送到輸出鎖存器,對輸出點進行刷新。實際輸出點數(shù)不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量,未用的輸出映像寄存器可做它用;但為了程序的清晰和規(guī)范,建議不使用這些未用的輸出繼電器。3.通用輔助繼電器(或中間繼電器)位PLC存儲器的位存儲器(Bit Memory Area)區(qū),其作用和繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相同,它在PLC中沒有外部的輸入端子或輸出端子與之對應(yīng),因此它不能受外部信號的直接控制,其觸點也不能直接驅(qū)動外部負載。這是它與輸入繼電器和輸出繼電器的主要區(qū)別。它主要用來在程序設(shè)計中處理邏輯控制任務(wù)。4.變量存儲器(Variable Memory)用來存儲變量的值,他可以存放程序執(zhí)行過程中的控制邏輯操作的中間結(jié)果,也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)或值可以是數(shù)值,也可以是“1”或“0”這樣的位邏輯值。在進行數(shù)據(jù)處理時或使用大量的存儲單元邏輯時,變量存儲器會經(jīng)常使用。5.定時器(Timer)是可編程序控制器中重要的編程元件,是累計時間增量的內(nèi)部器件。電氣自動控制的大部分領(lǐng)域都需要用定時器進行時間控制,靈活地使用定時器可以編制出復(fù)雜動作的控制程序。定時器的工作過程與繼電接觸控制系統(tǒng)的時間繼電器基本相同,但他沒有瞬動觸點。使用時要提前輸入時間預(yù)設(shè)值,當(dāng)定時器的輸入條件滿足時開始計時,當(dāng)前值從0開始按一定的時間單位增加;當(dāng)定時器的當(dāng)前值達到預(yù)設(shè)值時,定時器觸點動作。利用定時器的觸點就可以完成所需要的定時控制任務(wù)。第4章電機和傳感器選擇4.1電機選擇 步進電機驅(qū)動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動器參數(shù)如下表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。PLC控制器與步進電機驅(qū)動器連接及工作原理,如圖4-2所示。步進電機驅(qū)動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等,利用驅(qū)動器可以很方便的對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向進行控制。驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供,驅(qū)動器信號端采用+24V供電,需加1.5K限流電阻(見圖4-2中1.5K電阻)。驅(qū)動器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點來控制驅(qū)動器光耦的開合,當(dāng)PLC輸出線圈得電表4-1 電氣規(guī)格說明最小值典型值最大值單位供電電壓182440V均值輸出電流0.2111.50A邏輯輸入電流61530mA步進脈沖響應(yīng)頻率100kHz脈沖低電平時間51s表4-2 電流設(shè)定電流值SW1SW2SW30.21AOFFONON0.42AONOFFON0.63AOFFOFFON0.84AONONOFF1.05A0FFONOFF1.26AONOFFOFF1.50AOFFOFFOFF表4-3 細分設(shè)定細分倍數(shù)步數(shù)/圈(1.8整步)SW4SW5SW61200ONONON2400OFFONON4800ONOFFON81600OFFOFFON163200ONONOFF326400OFFONOFF6412800OFFONOFF由外部確定動態(tài)改細分/禁止工作OFFOFFOFF表4-4 接線信號描述信 號功 能PUL脈沖信號:上升沿有效,每當(dāng)脈沖由低變高時電機走一步DIR方向信號:用于改變電機轉(zhuǎn)向,TTL平驅(qū)動OPTO光耦驅(qū)動電源ENA使能信號:禁止或允許驅(qū)動器工作,低電平禁止GND直流電源地+V直流電源正極,典型值+24VA+電機A相A-電機A相B+電機B相B-電機B相時,晶體管導(dǎo)通,相應(yīng)的觸電輸出低電平,使驅(qū)動器光耦導(dǎo)通,當(dāng)PLC輸出線圈失電時,晶體管關(guān)斷,使驅(qū)動器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動器,而采用PLC輸出觸點直接驅(qū)動步進電機,會占用很多的輸出觸點,同時給編程帶來不便。圖4-1 PLC控制器與步進電機驅(qū)動器連接及工作原理4.2傳感器選擇 本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?;蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)(金屬傳感器),通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置,可以在一定范圍內(nèi)改變基座圖4-2 傳感器工作原理圖和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機械手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來限位,并通過改變行程開關(guān)的位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍。1、接近開關(guān):接近開關(guān)有三根連接線(棕、蘭、黑)棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號,當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平,否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下,當(dāng)傳感器動作時,輸出端對地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路,PLC信號輸入有效,工作原理如上圖所示。2、行程開關(guān):當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時,常開點閉合。第5章控制部分設(shè)計機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種??刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求,設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲,然后再根據(jù)規(guī)定的程序,控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。 分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中,如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi);位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等;集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi),如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合,即連續(xù)控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可,而同一插件又可以反復(fù)使用;穿孔帶容納的程序長度可不受限制,但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換;穿孔卡的信息容量有限,但便于更換、保存,可重復(fù)使用;磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件,則根據(jù)動作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。對動作復(fù)雜的機械手,采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)以插銷板用的最多,其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪,每一個凸輪分配給一個運動軸,轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(huán)。5.1電機正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn) 由于搬運機械手的工作是一種往復(fù)運動,就要求電動機能可逆運行。由電動機原理可知,三相異步電動機的三相電源進線中任意兩相對調(diào),電動機即可反向運轉(zhuǎn)。因此,可借助接觸器改變定子繞組相序來實現(xiàn)正反向的切換工作,其線路如圖5-1所示。當(dāng)出現(xiàn)誤操作,即同時按正反向啟動按鈕SF2和SF3時,若采用5-1(a)所示線路,將造成短路故障,如圖中虛線所示因此正反相間需要有一種連鎖關(guān)系。通常采用圖5-1(b)所示的電路,將其中的一個接觸器的常閉觸點串入另一個接觸器線圈電路,則任一接觸器線圈先帶電后,即使按下相反方向按鈕,另一接觸器也無法得電。這種連鎖通常稱作互鎖,即兩者存在相互制約的關(guān)系。工程上通常還使用帶有機械互鎖的可逆接觸器,進一步保證兩者不能同時通電,提高可靠性。圖5-1(b)所示的電路要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)運行,必須先停止正轉(zhuǎn)運行,再按反向啟動按鈕才行,反之亦然。所以這個電路稱作“正-停-反”控制。圖5-1(c)所示的電路可以實現(xiàn)不按停止按鈕,直接按方向按鈕就能使電動機反向工作。這個電路稱作“正-反-停”控制。在這里我們選擇圖5-1(c)所示的電路圖。圖5-1正反向工作的控制線路5.2 PLC程序編寫(1)輸入/輸出點地址分配輸入點: 輸出點:啟動按鈕SF1 I0.0 原始位置指示燈PG Q0.0停止按鈕SF2 I0.1 抓放物體手指MB Q0.1上限位開關(guān)BG1 I0.2 下行接觸器QA1 Q0.2下限位開關(guān)BG2 I0.3 上行接觸器QA2 Q0.3左限位開關(guān)BG3 I0.4 右行接觸器QA3 Q0.4右限位開關(guān)BG4 I0.6 左行接觸器QA4 Q0.5(2)系統(tǒng)功能如圖5-2所示,梯形圖如圖5-3所示,語句表如圖5-4所示。(3)簡要說明a在機械臂上、下、左、右行走的控制中,使用了一個軟件連鎖粗點,替代了SM0.0. b.S7-200PLC的順控指令不支持直接輸出(=)的雙線圈操作。如果在圖5-2中的狀態(tài)S0.1的SCR段有Q0.2(下行)輸出,在狀態(tài)S1.0的SCR段也有Q0.2輸出,則不管在什么情況下,在前面的Q0.2永遠不會有效。這是S7-200PLC順控指令設(shè)計方面的缺陷,給用戶的使用帶來了極大的不便。所以在使用S7-200PLCD的順控指令時一定不要有雙線圈輸出。為解決這個問題,可采用中間繼電器邏輯過渡一下。凡是有重復(fù)使用的相同輸出驅(qū)動,在SCR段中先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯,在程序的最后再進行合并輸出處理。但左行時只有在狀態(tài)S1.3中用到了Q0.5,所以就不用中間過渡處理了。圖5-2 機械臂裝置功能圖圖5-3機械臂裝置梯形圖圖5-4 機械臂裝置語句表5.3 PLC程序調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的控制裝置,因此一般不需要采取什么特殊措施,就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈,或安裝使用不當(dāng),都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運行。因此,討論PLC設(shè)計調(diào)試就具有十分重要的意義。1、 輸入接線(1)輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小,電壓降不大時,輸入接線可適當(dāng)長些。 (2)輸入、輸出線不能用同一根電纜,輸入、輸出線要分開。 (3)利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中,防止信號干擾,使PLC輸入信號大大增強。2、電源接線電源是PLC引入干擾的主要途徑之一,PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源,這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強干擾設(shè)備(如高頻爐、弧焊機等)分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力,可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層,用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成,電器回路上不允許短路,兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位,接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時,一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。PLC供電電源為50Hz、220V10%的交流電。由于本設(shè)計使用的是STEP7系列可編程控制器,所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器(如光電開關(guān)或接近開關(guān))提供直流24V電源。3、接地正確選擇接地點,完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個,其一為了安全,其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有:浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言,它屬高速低電平控制裝置,應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件,可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題,但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時,剛開始由于對STL指令掌握的不是很好,所以犯了不少錯誤,加上機械手模型裝置本身存在的一些問題,所以在調(diào)試程序時,機械手動作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料,研究、改進,最終程序調(diào)試成功。機械手運行良好,動作正確、符合控制要求。第6章 總 結(jié)在本次課題設(shè)計中,機械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進行控制,大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度,減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線,提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時,使用PLC進行控制可方便更改生產(chǎn)流程,增強控制功能。通過本次設(shè)計,可以根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù),實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的不同工作需求,機械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,在機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計中起了非常重要的作用,但在PLC控制的過程中還有許多的問題需要解決,本人在設(shè)計的過程中遇到了許多的問題,但經(jīng)過努力和查找個方面的資料最終都解決了。該搬運機械手充分利用了自動化技術(shù),根據(jù)應(yīng)用工況的情況,選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊,像搭積木一樣進行組合。這是一種先進的設(shè)計思想,反映了自動化技術(shù)未來的發(fā)展方向,也將始終貫穿于機械手的開發(fā)及應(yīng)用中。該機械手既可以用于專用的場合,又可以作為通用機械手用于其它的工業(yè)場合,手部可以按需要配置其它機構(gòu),適用范圍較廣 主要參考文獻1王本軼. 機床設(shè)備控制基礎(chǔ)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 1 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制J. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. 2 王炳實. 機床電氣控制M. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. 3 蔣少茵. 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