搬运机械手控制系统设计说明

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1、目录1前言 第一章 绪 论 2.1.1 课题背景与现实意义21.2 可编程控制器的产生特点及发.展.趋.势2.1.3本文主要工作 7第二章方案论证和选择 82.1 题目与要求8.2.2方案选择与论证 92.2.1利用单片机实现对机械手的控制 9.2.2.2 利用传统继电器实现对机械手.的.控.制92.2.3实现对机械手的控制 9.2.3系统流程图1.0.第三章 系统的硬件设计 1.1.3.1 功能按钮概述1.1.3.2 机械手传送系统输入和输出点分配表 1.13.3 输入和输出点分配表 1.23.4 输入和输出点原理接线图 1.2.第四章 系统的软件1.44.1 机械手操作系统程序图及原理 1

2、.4.4.1.1操作程序图 1.4.4.1.2操作系统原理1.4.42原位程序15,4.3动单步操作程序164.4自动操作程序164.4.1程序原理164.4.2操作状态转移图154.5机械手传送系统梯形图184.6 系统调试.2.0第五章 总结与展望.2.15.1 系统总结.2.15.2 展望2.22.3、/ J 前言工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 。 工业机械手的是工业机器人的一个重要分支 。 机械手技术涉及到力学、 机械学 、电气液压技术 、自动控制技术 、传感器技术和计算机技术等科 学领域 ，是一门跨学科综合技术 。它的特点是可通过编程来完成各种预 期的作业任务

3、 ，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点 ，尤其体现了 人的智能和适应性 。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能 力 ，在国民经济各领域有着广阔的发展前景 。用机械手可以代替人从事 单调、重复或繁重的体力劳动，实现生產的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安 全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运 放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。 50 年代以后，机械手逐步推广到工业生產部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具

4、并按固定程序更换刀具等操作 。机械手主要由手部机构和运动机构组成 。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持、托持和吸附等类型 。运动 机构一般由液压、气动、电气装置驱动 。机械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保护人身安全，因而广泛应用 机械制造 、冶金、电子、轻工和原子能等部门 。第一章绪论1.1课题背景与现实意义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一 员，是为工业控制应用而设计制造的 。早期的可编程控制器称作可编程逻 辑控制器 (Progr

5、ammable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代 替继电器实现逻辑控制 。随着技术的发展 ，这种装置的功能已经大大超 过了逻辑控制的范围 ，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC 。但是为了避免与个人计算机 (Personal Computer )的简称混淆 ， 所以将可编程控制器简称 PLC 。所谓搬运机械手 ，就是将机械手安装在移动平台之上 。这种结构 使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性 ，并同时具有移动 和操作功能 ，这使它优于传统的机械手 ，因此在危险作业 、制造业、服 务业等行业具有广阔的应用前景 。但由于结构复杂 、强耦合、非线性

6、、 非完整性等问题的存在 ，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战 性 。近年来 ，对搬运机械手的控制策略 、运动规划等方面的研究已越来 越受到国内外的重视 ，并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这 方面起步较晚 ，研究多集中在理论方面 。因此，设计制造一个实际的搬 运机械手平台 ，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的 。1.2 可编程控制器的产生特点及发展趋势可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 ，专为在工业环境应用而设计的 。它采用一类可编程的存储器 ，用于其内部存储程序 ，执 行逻辑运算 ,顺序控制 ，定时，计数与算术操作等面向用户的指令 ， 并通过数字或模拟式输入 /输出控

7、制各种类型的机械或生产过程 。可编 程控制器及其有关外部设备 ，都按易于与工业控制系统联成一个整 体，易于扩充其功能的原则设计。”1969 年，美国数字设备公司(DEC )研制出第一台 PLC ，在美国通用汽车自动装配线上试用 ，获得 了成功 。这种新型的工业控制装置以其简单易懂 ，操作方便 ，可 *性 高，通用灵活 ，体积小 ，使用寿命长等一系列优点 ，很快地在美国其 他工业领域推广应用 。到 1971 年，已经成功地应用于食品 ，饮料，冶 金，造纸等工业 。这一新型工业控制装置的出现 ，也受到了世界其他国家的高度重视 。1971 日本从美国引进了这项新技术 ，很快研制出了日 本第一台 PL

8、C 。1973 年，西欧国家也研制出它们的第一台 PLC 。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。PLC问世以来，尽管 时间不长 ，但发展迅速 。 为了使其生产和发展标准化 ，美国电气制造商协会 NEMA(Na tional Elec trical Manufac tory Association 过四年的调查工作 ，于 1984 年首先将其正式命名为 PC(ProgrammableControllei)，并给PC作了如下定义：“ PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令 。用来执行诸如逻辑 ，顺序，计 时，计数与演算等功能 ，并通过数字或类似的输入 /输出模

9、块 ，以控制各 种机械或工作程序 。一部数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能着，亦 被视为 PC ，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器 。”以后国际电工 委员会(IEC又先后颁布了 PLC标准的草案第一稿，第二稿并在1987 年 2 月通过了对它的定义 ：“可编程控制器是一种数字运算操作的 电子系统 ，专为在工业环境应用而设计的 。它采用一类可编程的存储 器，用于其内部存储程序 ，执行逻辑运算 ,顺序控制 ，定时，计数与算 术操作等面向用户的指令 ，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类 型的机械或生产过程 。可编程控制器及其有关外部设备 ，都按易于与 工业控制系统联成一个整体 ，易于

10、扩充其功能的原则设计 。”总之，可 编程控制器是一台计算机 ，它是专为工业环境应用而设计制造的计算 机。它具有丰富的输入 /输出接口 ，并且具有较强的驱动能力 。但可编 程控制器产品并不针对某一具体工业应用 ，在实际应用时 ，其硬件需 根据实际需要进行选用配置 ，其软件需根据控制要求进行设计编制 。PLC 的主要特点 ：1、高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离 。（ 2）各输入端均采用 R-C 滤波器 ，其滤波时间常数一般为1020ms 。（ 3）各模块均采用屏蔽措施 ，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源 。（5）对采用

11、的器件进行严格的筛选 。（ 6）良好的自诊断功能 ，一旦电源或其他软 ，硬件发生异常情况， CPU 立即采用有效措施 ，以防止故障扩大 。（ 7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成 表决系统 ,使可靠性更进一步提高 。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或 直流 ；开关量或模拟量 ；电压或电流 ；脉冲或电位 ； 强电或弱电等。 有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备 ，如：按钮；行程开关；接近 开关 ；传感器及变送器 ；电磁线圈 ；控制阀等直接连接 。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要 ，除了单元式的小型PLC以外，绝

12、大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括 CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起 来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合4、编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形 图形式 ，对使用者来说 ，不需要具备计算机的专门知识 ，因此很容易被 一般工程技术人员所理解和掌握 。5、安装简单 ，维修方便 PLC 不需要专门的机房 ，可以在各种工业 环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连 接，即可投入运行 。各种模块上均有运行和故障指示装置 ，便于用户了 解运行情况和查找故障 。由于采用模块化结构 ，因此一旦某

13、模块发生故 障 ，用户可以通过更换模块的方法 ，使系统迅速恢复运行 。PLC 的发展阶段 ：虽然 PLC 问世时间不长 ，但是随着微处理器的 出现，大规模 ，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不 断进步， PLC 也迅速发展 ，其发展过程大致可分三个阶段 ：1、早期的 PLC （60 年代末 70 年代中期 ）早期的 PLC 一般称为 可编程逻辑控制器 。这时的 PLC 多少有点继电器控制装置的替代物的 含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制 ，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接 口电路上作了改进以适应 工业控制现场的要求 。装置中的器件主要采用分立元件

14、和中小规模集 成电路 ，存储器采用磁芯存储器 。另外还采取了一些措施 ，以提高其 抗干扰的能力 。在软件编程上 ，采用广大电气工程技术人员所熟悉的 继电器控制线路的方式 梯形图 。因此，早期的 PLC 的性能要优于继 电器控制装置 ，其优点包括简单易懂 ，便于安装 ，体积小 ，能耗低， 有故障指使 ，能重复使用等 。其中 PLC 特有的编程语言 梯形图一直 沿用至今 。2、中期的 PLC （70 年代中期 80 年代中，后期）在 70年代，微处 理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化 。美国 ，日本，德国等一些厂家先 后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元 （CPU）。 这样，使 PL

15、C 得 功能大大增强 。 在软件方面 ，除了保持其原有的逻辑运算 、计时、计数 等功能以外 ，还增加了算术运算 、数据处理和传送 、通讯、自诊断等功 能 。在硬件方面 ，除了保持其原有的开关模块以外 ，还增加了模拟量模 块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各 种逻辑线圈的数量增加 ，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 得应 用范围得以扩大 。 3、近期的 PLC （80 年代中、后期至今）进入 80年代 中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展 ，微处理器的市场价格 大幅度下跌 ，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的当次普遍提高 。 而且 ，为了进一步提高 PLC 的处理速度 ，各制造厂商还纷纷研制开发了 专用逻辑处理芯片 。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化 。1.3 本文主要工作本文主要工作是应用 PLC （可编程控制器 ）实际设计一个工业机 械手，能实现工业机械手的基本功能 。工作内容 :（1）阐述机械手在工业应用中的作用和意义（2）设计机械手的方案选择与实现（3）机械手的硬件设计原理 ,包括可编程控制器型号的选定 ，PLC的电气连线图，1/地址分配表等（4）机械手的软件设计原理 ，包括流程图 ，程序清单 。（5）最后是系统调试和参考文献的