基于pic的机械手控制系统设计

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1、基于pic的机械手控制系统设计青岛科技人学木科毕业设计论文刖H随着我国工业生产的飞跃发展，口动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送 或操持焊枪、喷枪、扳于等T具进行加T、装配等作业的自动化，C愈來愈引起人们的重 视。机械于是在机械化、白动化生产过程中发展起來的一种新型装置。近年來，随着电子技 术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的硏制和生产U成为高技术领域内迅速发展起來 的一门新兴技术，它更加促进了机械于的发展，使得机械于能更好地实现与机械化和自动 化的有机结合。机械于是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作 的自动机械装置。在工业生产小应用的机械手被称为

2、“工业机械手”。机械手虽然日前还 不如人手那样灵活，但它具有能不断重复T作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的 力量比人于人等特点，因此，机械于已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应 用，生产中应用机械手可以提高生产的口动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保 证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和 放射性等恶劣的坏境中，它代替人进行正常的丁作，意义更为重人。本文将通过西门了 PLC控制机械手，PLC是可编程控制器(Programmable Logic Controller)的简称，是在继电顺序控制基础上发展起來的以微处理器为核心的通用的T 业

3、口动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强人， 更多地具有计算机的功能。日前PLCLA经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系 统利用西门子PLC,在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程小的下降、夹紧、上 升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对菲正常情况实行自动报警 和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。基于PLC的机械于控制系统设计1机械于概述1. 1机械手简介机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作 的自动机械装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害坏境下 操作

4、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 械于是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对 于高温、高压、高湿度、污染等不适宜人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作 用。1.2机械手组成机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。结构如图卜1所示：图1T机械手结构图2青岛科技人学本科毕业设计论文Fig. IT Mani pul a tor structure(1) 手部即与物件接触的部件。手部是用来抓持丁件(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。(2) 驱

5、动系统使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动來实现规定的动作，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。白由度是机械手设计的关键参 数。自由度越多，机械手的灵活性越人，通川性越广，其结构也越复杂。一般专川机械手 有23个自由度。1. 3机械手的丿应用随着科学技术的发展，机械手也越來越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、钏、 冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等T种都有应用的实例。其它部门， 如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。机械T业中，应用机械手的主要 目的是

6、:一、可以提高生产过程的白动化稈度应用机械于，有利于实现材料的传送、T件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自 动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成木。二、可以改善劳动条件、避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工 作空间狭窄等场合小，川人手玄接操作时有危险或根木不可能。而丿应川机械手即可部分或 全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重 的操作小，以机械于代替人于进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事 故。三、可以减少人力，并便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行丁作，这是玄接减少人力的一

7、个侧面，同时由于应用机械手可 以连续地工作，这是减少人力的另i个侧面。因此，在自动化机床和综合加丁自动线上， 日前几乎都设机械于，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。3基于PLC的机械于控制系统设计由此可见，有效地应用机械手，是发展T业的必然趋势。2 PLC的简介2. 1 PLC的产生1968年美国通用汽车公司（GM）招标要求:软连接代替硬接线;维护方便;可靠性高于继 电器控制柜;体积小于继电器控制柜；成木低于继电器控制柜;有数据通讯功能；输入115V; 可在恶劣坏境下工作;扩展时，原系统变更要少;川户程序存储容量可扩展到4K。核心思 想：用程序代替硬接线，输入/输出电平可

8、与外部装置肓接相联，结构易于扩展，这是 PLC的雏形。1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC （PDP-14）,并在GM公司汽车生产线上 应用成功。2.2 PLC的定义和特点2. 2. 1 PLC的定义美国电气协会制造商协会NEMA和国际电工委员会IEC对可编程控制器分别作了定义： 可编程控制器是一种专门用于工业坏境的、以开关址逻辑控制为主的口动控制装置。它具 有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运 算、定时、计数和算术运算等处理后，以开关量（或模拟量）的形式输出，控制各种类型 的机械或生产过程。早期的可编程控制器，主要用于开关量逻辑控制，所以

9、称为可编程逻辑控制器，简称 PLC,后來随着计算机技术不断发展，其功能U不仅限于开关逻辑控制，所以被称之为可 编程控制器PC,但这很容易和个人计算机PC相混淆，因此，一般把PLC作为可编程控制 器的简称。2. 2. 2 PLC的特点LJ编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应丿U，主要是由于它具有以下特点:（1）可靠性高，抗干扰能力强川软件实现人量的开关量逻辑运算，克服了因继电器触 点接触不良而造成的故障；输入采用直流低电压，史加可靠、安全；面向工业环境设计， 采取了滤波、屏蔽、隔离等抗T扰措施，适应各种恶4青岛科技人学本科毕业设计论文劣的工作环境，远远地超过了传统的继电器控制系统和一般的计算

10、机控制系统。（2）编稈简单，易于掌握PLC采用梯形图方式编写程序，与继电器控制逻辑的设计相 似，具有盲观、简单、容易掌握等优点。（3）功能完善，灵活方便随着PLC技术的不断发展，其功能更加完善，不仅具有开关 量逻辑控制功能和步进、计算功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络 通信等功能。既可以单机使用、也可联网运行，既可集小控制、也可分布控制或者集散控 制。而且在运行过程中，可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。（4）体积小、质量轻、功耗低由于采用了单片机等集成芯片，体积小、质量轻、机构 紧凑、功耗低。2. 3可编程控制器的主要性能指标可编程控制器的性能指标育很多，主要有以下几项指标

11、。（1）输入/输出点数（I/O） I/O点数是指可编稈控制器外部输入、输出端子数的总和。 它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。（2）存储容量存储容量是指可编程控制器内部用于存放川户程序的存储容量。（3）扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为ms/千步，也育以执 行一步指令所需-來计算，单位us/步。（4）功能扩展能力可编程控制器除了主模板块之外，通常都可配备一些可扩展模块， 以适应各种特殊功能应用的需要。如A/D模块、D/A模块、位置控制模块等。（5）指令系统指令系统是指一台可编程控制器指令的总和，它是衡量可编程控制器功 能强弱的主要指标。2. 4可编程控制器的

12、分类通常PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。（1）按结构形式分类按结构形式不同，可分为整体式和模块式两类。整体式的PLC是 将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳内，从而具有结构 经凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种机构。模块式的PLC将各个功能 部件做成独立模块，如电源模块、CPU模块、5基于PLC的机械手控制系统设计I/O模块等，然后进行组合。(2) 按控制规模分类按控制规模人小，可分为小型、中型和人型PLC三种类型。1) 小型PLC。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2KB以内，其小输入输 出点数小于64点的PLC又称为超

13、小型或微型PLC,具有逻辑运算、定时、计数、移位及自 诊断、监控等基木功能。2) 中型PIC 中型PLC的开关量I/O点数通常在256-2048点之间，用户程序存储器的 容量为2-8KB,除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数 调节，如比例、积分、微分(PID)调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程 I/O及通信联网功能。3) 人型PLC。人型PLC也称为高档PLC, I/O点数在2048点以上，用户程序存储容量 在8KB以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC,除具有中型机的功能外,还 具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记

14、录、打印等功能，以及强 人的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。2. 5 PLC系统的组成PLC是一种以微处理器为核心的工业通用口动控制装置，其结构与微型计算机控制系统 相似，也是有駛件系统和软件系统两人部分组成。2. 5. 1 PLC的硬件结构一套PLC系统在硬件上由以下几部分组成：(1) 中央处理器(CPU)与计算机一样,是PLC的核心部件。(2) 存储器PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。(3) 输入/输出(I/O)接口电路。(4) 电源。(5) 扩展单元。(6) 外部设备。其中，各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构 简图如下：6青

15、岛科技人学木科毕业设计论文图2-1 PLC駛件结构图Fig 2-1 PLC hardware structure2. 5. 2 PLC的软件PLC的软件是指PLC所使川的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序 （用户软件）组成。（1）系统程序系统程序包括监控程序，输入译码程序及诊断程序等。（2）用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的 应用程序。2. 6可编程控制器的丁作方式可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无 中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的循序逐条执行程序，即按顺序逐条 执行程序玄到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。7基于PLC的机械于控制系统设计图2-2 PLC工作方式图Fig. 2-2 PLC work way figure可编程控制器工作的扫描过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执 行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间成为扫描周期。扫描周期的长短与川户 程序的长度和扫描速度有关。2. 7 PLC的编程语言PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其小前两种语言用的 较多，流程图语言也在许多场合被采用。1. 梯形图语言（1）梯形图从上至下编写，每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编 写