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1、基于 PLC 的工业机械手臂控制系统 摘要摘要 PLC 是以现代微处理器技术为核心的控制器,作为一种通用的工业控制器, 其可靠性高、抗干扰能力强;PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采用严 格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性, 此外,PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息;PLC 采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对 PLC 的影响,此外 PLC 还 可在强、通用性好;开发周期短,功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很 重要的意义。 关键词关键词:意义,应用,前景,编程语言,设计 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系
2、统的工业机械手臂控制系统 2 目目 录录 1.1.引言引言8 8 2 2 机械手机械结构机械手机械结构 9 9 2 21 1 传动机构传动机构.9 9 2.1.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构9 9 2.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构9 9 2.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋机构1010 22 机械手夹持器和机座的结构 1010 2.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器1010 2.2.22.2.2机座机座1111 3 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC1212 3 31 1 PLCPLC 简介简介 1212 3 32 2 PLCPLC 内部原理内部原理 1313
3、 A.A. 系统程序存储区系统程序存储区1515 B.B. 系统系统 RAMRAM 存储区存储区1515 C C用户程序存储区用户程序存储区1515 3 33 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 1616 3 34 4 PLCPLC 机型的选择方法机型的选择方法 1919 3.4.13.4.1PLCPLC 的类型的类型 1919 3.4.23.4.2输入输出模块的选择输入输出模块的选择1919 3.4.33.4.3 电源的选择电源的选择2020 3.4.43.4.4 存储器的选择存储器的选择 2020 功能的选择功能的选择2020 3.4.63.4.6 经济性的考虑经济性的考虑2020 3
4、.53.5 机械手机械手 PLCPLC 选择及参数选择及参数2121 3.5.13.5.1 主要技术数据如下:主要技术数据如下: 2121 3.5.23.5.2 PLCPLC 主机的组成主机的组成 2222 4 4 机械手机械手 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计2222 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 3 4 41 1 机械手的工艺过程机械手的工艺过程2222 4 42 2 PLCPLC 控制系统控制系统 2424 4.2.14.2.1 确定输入确定输入/ /输出点数并选择输出点数并选择 PLCPLC 型号型号 2424 4.2.24.2.2 分配分
5、配 PLCPLC 的输入的输入/ /输出端子输出端子 2525 4.2.3PLC4.2.3PLC 控制系统程序设计控制系统程序设计 2525 5 5 软件设计软件设计 2929 5.15.1 FX1NFX1N PLCPLC 梯形图中的编程元件梯形图中的编程元件 2929 5.25.2 程序的总体结构程序的总体结构3131 5.2.15.2.1 各部分程序如下各部分程序如下3131 致谢致谢4242 参考文献参考文献4343 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 4 1.1.引言引言 随着世界经济和技术的发展,人类活动的不断扩大,机器人应用正迅速向 社会生产和生活
6、的各个领域扩展,也从制造领域转向非制造领域,各种各样的 机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、 服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大 量应用,很多领域,许多单一、重复的机械工作由机器人(也称机械手)来完 成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的,多功能的、多自由 度的、多用途的操作机,广泛采用工业机械人,不仅可提高产品的质量与产量, 而且对保障人生安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约 原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一 样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和
7、生活方式。 机械手是一种模仿人手动作,并按设定的程序来抓取、搬运工件或加持工 具,机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、 小批量自动化生产,广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自 动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成, 主要完成移动、转动、抓取等动作。 控制系统是机械手的指挥系统,它通过控制驱动系统,让执行器按照规定 的要求进行工作。并检测其正确与否。可编程控制器(PLC)是一种数定运算操 作的电子系统,它将逻辑运算、顺序控制、时序计数、算术运算等控制程序, 用指令形式存放在存储器中,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各
8、种 机械或生产过程。与继电器控制线路相比,PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强; 体积小、能耗低等特点。因此,机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来 实现。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论 与工业生自动化实践相结合的产物,并以成为现代机械制造生产系统中的一个 重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品 质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 5 射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并 取得一定的效果,受到机
9、械工业和铁路工业部门的重视。 2 机械手机械结构机械手机械结构 2 21 1传动机构传动机构 2.1.1.2.1.1.螺旋机构螺旋机构 螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成,其主要功能是将转动变换为直线运动, 并同时传递运动和动力,按螺旋副中的摩擦性质,螺旋机构可以分为滑动螺旋 机构和滚动螺旋机构两种类型。按用途可以分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺 旋三种类型。螺旋机构具有结构简单,制造方便,传动平稳,无噪声易于自锁 等优点。 2.1.2.2.1.2. 滑动螺旋机构滑动螺旋机构 螺旋副内为滑动摩擦的的螺旋机构,称为滑动螺旋机构。滑动螺旋机构所 用的螺纹为传动性能好,效率高的矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑
10、动螺旋机构由螺母和螺杆组成。根据机构的组成及运动方式,滑动螺旋 机构又分为以下两种。 (1) 由螺母和螺杆组成的滑动螺旋机构,螺母与机架固联,螺杆转动并移动 (如图 2-1b 所示) ,这种螺旋机构以传递动力为主,故又称传力螺旋机构。一 般要求用较小的转矩产生较大的轴向力,多用在工作时间短,速度较低的场合。 (2) 由螺母、螺杆和机架组成的滑动螺旋机构,如图 2-1a 所示,螺杆转动, 螺母移动,这种螺旋机构以传递运动为主,故又称为传导螺旋机构。 本文所介绍的机械手的竖轴就是用的传导螺旋机构。这种传动形式结构紧凑, 刚度较大,传动效率高,精度高。 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统
11、的工业机械手臂控制系统 6 (a)螺杆转动,螺母移动 (b) 螺母固定,螺杆转动并移动 图 2-1 2.1.32.1.3滚动螺旋机构滚动螺旋机构 螺旋副内为滚动摩擦的螺旋机构,称为滚动螺旋机构或滚珠丝杠。其机构 特点是在螺杆和螺母之间设有封闭循环滚道,并在其间放如刚球,当螺杆转动 时,刚球沿螺旋滚道滚动并带动螺母作直线运动。按循环方式的不同,分为外 循环和内循环两种形式。 滚珠始终在循环过程中始终与螺杆保持接触的 循环叫内循环。滚珠在返回时与螺杆脱离接触 的循环叫外循环(如图 2-2 所示) 。外循环螺母 只需设置一个反向器,当滚珠进入反向器时, 就被阻止而转弯,从返回通道回到滚道的另一 端,
12、形成一个循环回路。 机械手的横向运动采用的便是滚动螺旋传动。 滚动螺旋机构摩擦阻力小,动作灵敏度高,传 动效 率高,可达 90%以上。用调整的方法可消除间 隙,传动 精度高。 图 2-2 22 机械手夹持器和机座的结构机械手夹持器和机座的结构 2.2.12.2.1机械手夹持器机械手夹持器 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 7 机械手的机械夹持器多为双指手抓式,按其手抓的运动方式可分为平移型 和回转型。回转型手抓有可分为单支点和双支点回转型,按夹持方式可以分为 外夹式和内撑式。按驱动方式可以电动、液压和气动三种。 回转型夹持器结构较简单,但当所夹持的 工件直径
13、有变动时,将引起工件轴心的偏移。 对平移型夹持器,工件直径的变化不影响其轴 心的位置。但其机械机构繁杂,体积大,制造 精度要求高。所以当设计机械手夹持器的时候, 在满足工件的定位精度要求的条件下,尽可能 的采用结构比较简单回转型夹持器。 本文设计的机械手采用的是楔槽杠杆式回 转型夹持器。如右图所示,装在杆上端的滚子 3 和楔块之间为滚动接触。当电机带动连杆前进 时,通过楔块 4 的斜面和杠杆 1,使两个手抓产 生加紧动作和加紧力。当楔块后移时,靠弹簧 的拉力使手指松开。这种末端执行器由于楔块 和滚子之间为滚动接触,摩擦力小,活动灵活,且机构简单。 2.2.22.2.2机座机座 机座是机械手的支
14、撑部件,机座承受机械手的全部重量和工作载荷,所 以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基 面,以保证机械手工作时的稳定行。 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 8 如图 2-3 所示,机械手采用普通轴承作为支撑元件的机座支撑结构。这 种结构有制造简单、成本低、安装调整方便等优点。图中电动机 3 经减速器 4、主动小齿轮 5、中间齿轮 6、大齿轮 7 驱动丝杆 2 旋转,从而驱动升降台上 下运动。整个机座安装在基座 8 上。 3 3 可编程控制可编程控制 PLCPLC 3 31 1 PLCPLC 简介简介 自二十世纪六十年代美国推出可
15、编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC 得到了快速发展,在世 界各地得到了广泛应用。同时,PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信 号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC 在开 关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限 于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品,PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了 迅速发展,世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度 的不断提高和 PL
16、C 市场容量基数的不断扩大,近年来 PLC 在工业发达国家的增 长速度放缓。但是,在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资料, 图 2-3 基于基于 PLCPLC 的工业机械手臂控制系统的工业机械手臂控制系统 9 2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要 的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运 算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作, 来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求, 并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以 完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器, 在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动