基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 I四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告基于 PLC 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 II摘要隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等傳統(tǒng)領(lǐng)域，同時(shí)也已開始擴(kuò)大到航空，航天。生化、醫(yī)藥、核能等高科技領(lǐng)域中，本文目的主要是利用可編程控制器作為載體，設(shè)計(jì)一套程序取驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行預(yù)訂動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓取、搬運(yùn)及投放，根據(jù)需求變化改變搬運(yùn)軌跡，整個(gè)系統(tǒng)利用 plc 技術(shù)位置控制技等關(guān)鍵詞：機(jī)械手、可編程邏輯控制器四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 IIIabstractWith the development of science and technology, manipulator is widely used in mining, metallurgy, petroleum, chemical, shipbuilding and other traditional areas, but also has begun to expand to aviation, aerospace. Biochemistry, medicine, nuclear energy and other high-tech fields, in this paper, the main objective is to use the programmable controller as the carrier, design a set of procedures and the drive manipulator to achieve the target capture, handling and delivery booking action, according to the demand change handling trajectory, the whole system by using the technology of PLC position control technology.Keywords: manipulator； programmable； logic controller四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 1目錄緒論1.1 機(jī)械手應(yīng)用背景與意義機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（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，如夾持型、拖持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、收縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活度越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 23 個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或 DSP 等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱，無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場(chǎng)合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種新的技術(shù)，是現(xiàn)代四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 2控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛， 。在我國(guó)，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，收到機(jī)械工業(yè)和鐵路部門的重視。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。隨著我國(guó)工業(yè)的跨越式發(fā)展，機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)及裝備制造業(yè)中處在及其重要的位置。在工業(yè)生產(chǎn)和裝備制造領(lǐng)域中充當(dāng)著非常重要的角色，尤其是它能代替人工在有害環(huán)境中進(jìn)行操作以保護(hù)人工的生命安全，在各個(gè)領(lǐng)域都有機(jī)械手的影子：機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普通；在裝配作業(yè)應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件；在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易于疲勞的工作環(huán)境，可代替人的勞動(dòng)；可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等；宇宙及海洋四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 3的開發(fā)；軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和實(shí)驗(yàn)。1.2 機(jī)械手應(yīng)用國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人。機(jī)械手研究開始于 20 世紀(jì)中期，一方面，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是 1964 年第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以來，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，這為機(jī)械手的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)；另一方面，核能技術(shù)的研究需要某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)，在這一需求背景下，美國(guó)于 1947 年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948 年又開發(fā)了機(jī)械式主從機(jī)械手。機(jī)械手首先是由美國(guó)開發(fā)研制的，50 年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用。完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。1954 年美國(guó)戴爾沃最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了示教，機(jī)械人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)機(jī)器人，現(xiàn)在的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一彈機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962 年美國(guó) AMF 公司推出的“ERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”。我國(guó)機(jī)械手起步于 20 世紀(jì) 70 年代初期，經(jīng)過 30 多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個(gè)階段：70 年代萌芽期，80 年代的開發(fā)期和 90 年代的應(yīng)用期。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 4前，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，由上海起，接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個(gè)研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序，結(jié)合式，液壓伺服型同用機(jī)械手，并開始了機(jī)械學(xué)（包括步行機(jī)構(gòu)）、計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究，這些機(jī)械手大約 1/3 用于生產(chǎn)。經(jīng)過80 年代尤其是后 5 年的努力，吸引了 160 多個(gè)單位從事機(jī)械手及相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機(jī)械手技術(shù)地區(qū)和十幾家優(yōu)勢(shì)單位，培養(yǎng)了一支 2000 多人的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)，研制，應(yīng)用隊(duì)伍，造就了一批機(jī)械手專家，使我國(guó)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國(guó)內(nèi)。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政府支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。我國(guó)主要開發(fā)的機(jī)械手由噴涂機(jī)械手、焊接機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手和裝配機(jī)械手。這些工業(yè)機(jī)械手主要由類似人的手和臂組成，它可替代人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 5第 2 章控制要求本次的設(shè)計(jì)需要自己對(duì)機(jī)械手進(jìn)行各種器件的選擇，并且編程通過PLC 運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下，左右移動(dòng)和夾取物品，本次的操作要求是通過手動(dòng)和自動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，其中自動(dòng)有三種方式。單步運(yùn)動(dòng)：按下按鈕機(jī)械手完成這個(gè)動(dòng)作就停止。單周運(yùn)動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕，從原點(diǎn)開始，機(jī)械手按工序自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，停在原位。連續(xù)運(yùn)動(dòng)：機(jī)構(gòu)停在原位時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)構(gòu)自動(dòng)執(zhí)行周期工作。按下復(fù)位鍵復(fù)位。第 3 章設(shè)備選型3.1.控制的選型輸出刷新三個(gè)階段。PLC 的特點(diǎn)：1、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。2、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。3、編程方便，易于使用。4、功能強(qiáng)大，成本低。5、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短。6、維護(hù)方便。四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 63.2.2 常用 PLC 介紹在中國(guó)，PLC 的型號(hào)有很多種，而且生產(chǎn)的廠家也不同，其類型也有所不同，使用起來也都不相同，三菱 PLC 采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)計(jì)時(shí)與操作等面向用戶指令，并通過數(shù)字或模擬量輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，三菱 PLC 在中國(guó)常見的型號(hào)有 FR-FX1S,FR-FX2N,FR-FX30 等。其特點(diǎn)和許多 PLC 相似，編程簡(jiǎn)單、可靠性高、高速運(yùn)算等，其缺點(diǎn)是，模擬量模塊比較昂貴且程序復(fù)雜。西門子 PLC 在中國(guó)市場(chǎng)的占有率很大，廣泛的應(yīng)用在多種領(lǐng)域里。也是技術(shù)比較成熟、最具有特色和最具有代表性的微型 plc，除基本的指令表編程外，還可以用采用梯形圖及對(duì)應(yīng)機(jī)械動(dòng)作流程進(jìn)行順序功能圖編程，而且這些程序可以互相轉(zhuǎn)換。其 S7 系列 plc 體積小，速度快，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力功能更強(qiáng)等，而且還具有強(qiáng)大的中文功能。綜上，西門子 plc 更加符合我們經(jīng)濟(jì)和要求，因此我們選擇 plc 作為本次的控制中心。3.2.3 西門子 PLC 的選型西門子 PLC 的主要型號(hào)有 S7-200，S7-300 ， S7-400，S7-1200 幾種型號(hào)，其用途也會(huì)有所不同，S7-200 用于小型的電氣系統(tǒng)中，著重邏輯控制，S7-300 用于稍大的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝控制，s7-400 用于大型控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)冗余控制等，由于我們這次是對(duì)模型四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告 7的機(jī)械手控制，屬于小型的控制系統(tǒng)，而且邏輯控制要求也比較高，因此我們選擇西門子 PLCS7-200 CPU224 CDC/DC/DC 作為本次控制中心的型號(hào)，由于此型號(hào)只有 14 個(gè)輸入點(diǎn) 10 個(gè)輸出點(diǎn)，而我們要 24 個(gè)輸入點(diǎn) 11 個(gè)輸出點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠我們的需求，我們還需要一個(gè)擴(kuò)展模塊。S7-200 的擴(kuò)展模塊有。1. 輸入擴(kuò)展模塊 EM221: 共有 3 種產(chǎn)品，即 8 點(diǎn)和 16 點(diǎn)DC、8 點(diǎn) AC。