机电一体化系统设计课程设计机械手PLC控制系统设计

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1、机电一体化系统设计课程设计说明书题 目 机械手PLC控制系统设计 机械工程 系 机械设计制造及其自动化 专业 0805班 10号学生姓名 . 指导教师 伍新 吴晨曦 .完成日期 2011年11月23日 .湖南工程学院机械工程系图 011.4 设计任务项目一：本设计主要技术要求：五自由度示教机械手自由度数:5个；手臂旋转角度360；大臂旋转角度210；小臂旋转角度210；手爪旋转角度360；手指旋转角度120。五自由度示教机械手采用力矩限制器限制旋转力矩，编码器、磁铁霍尔传感器限定旋转角度。使用步进电机控制各自由度的运动，实现精确位置控制。摩擦轮副由步进电机提供旋转扭矩，使整个手臂旋转在水平面内

2、旋转；大臂的旋转由步进电机提供工作扭矩；小臂的旋转由步进电机通过同步带提供工作扭矩；指的开合由步进电机提供工作扭矩；腕的翻转由步进电机及减速器提供工作扭矩；手爪的旋转由步进电机通过伞状齿轮副提供工作扭矩。控制系统采用PLC控制，编制梯形图程序。机械手的结构方案本课题要求采用五自由度关节型机械，其总体机械结构如图2-1所示，它有旋转台、大臂、肘、小臂，手腕装置组成，是一个具有五种动作的关节型机械手，并能够模拟接近于人手臂的动作。机械手的坐标可以采用简单的关节型坐标，因此对它的五种动作需要作一些规定：（1）机械手的旋转角度。由上向下看，相对旋转台的基准线，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内

3、旋转；（2）大臂的旋转是相对于水平线，在210度范围内旋转；（3）肘也是相对于水平线，在210度范围内旋转；（4）小臂相对于肘的轴线旋转，可在210度范围内旋转；电机的选型（1）交流伺服电动机 包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。 （2）直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。 （3）步进电动机 包括永磁感应步进电动机。本课题中需要五台电动机，根据上述电动机因考虑其指标、模型的重量、尺寸等因素，选择了一台Kinco86系列步进电机、四台Kinco57系列三相步进电动机（其中两台技术参数为3S57Q-04

4、042,另两台技术参数为3S57Q-04056），分别驱动臂旋转以及大、小臂俯仰、旋转和手腕的俯仰活动它们的主要参数如下表:型 号技术参数电机惯量(kg.cm )保持扭距(Nm)电机长度（mm）最大负载（N）Kinco86系 列2S86Q-051801.44.580220Kinco57系 列3S57Q-040420.10.54275Kinco57系 列3S57Q-040560.31.05656机械手的plc控制PLC控制系统设计的步骤 1）分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟

5、定设计任务书。2）确定输入输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。3）选择PLC PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为

6、止系统的硬件电气线路已经确定。5）程序设计程序设计：1.控制程序；2.初始化程序；3.检测、故障诊断和显示等程序；4.保护和连锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。6）硬件实施设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之。间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查；由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短7）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬

7、件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。8）整理和编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。本课题选用FX系列。FX系列是日本三菱公司后期的产品。三菱公司的可编程控制器分为F、F1、F2、FX2、FX0、FX0N、FX2C、FX1N和FX q2N几个系列。其系统配置灵活多便，它具有各种点数及各种输出类型（继电器、晶体管、晶闸管）的扩展单元及扩展模块，要与基本单元自由混合配置，使系统有极高的灵活程度。FX的应用领域包

8、括：通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械 。 多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，不必投入很多费用。FX可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足本课题的需要。 表1 机械手传送系统输入和输出点分配表输入触点功能输入触点功能输入触点功能输出触点功能X6-SQ2左限位X12手动X15启动Y0上升X7-SQ2右限位X13回原点X16停止Y1

9、下降X10-SQ2上限位X14单步X17夹紧Y2右行X11-SQ2下限位X18松开Y3左行X19上升Y4夹紧/放松X20下降X22右行X23左行表1 机械手传送系统输入和输出点分配表机械手的控制器日本三菱公司生产的可编程序控制器控制器具有40个输入点、40个输出点。满足机械手5个步进电机位置测量及控制的要求。系统控制的电路如图4-2 所示。包括4 部分: 光电编码器、输入接口电路、PLC、输出接口电路。位置检测与输入接口电路位置反馈信号是通过光电编码器而得到, 每个步进电机输出轴上都装有光电编码器, 通过它实现光电脉冲转换及对电机的转角和转速进行检测, 光电编码器主要是由控制电路板、红外光电耦

10、合器及遮光盘组成, 红外光电耦合器为塑封双列直插式结构, 固定于槽形框内, 遮光盘固定在电机转轴上, 遮光盘为5孔均匀圆周分布的金属盘。光电编码器原理电路图如图4-2 所示。其中, R3 用于调节发光二极管的工作电流,以保证发光二极管发出的红外光具有足够的强度。R1、R2 用于调节A、B 相的光敏接收管的工作电流,以确保光耦合器件正常工作。当总线通电时, 光电耦合器的发光二极管发出不可见红外线光, 通过旋转的遮光盘的通孔而被光敏器件接收, 光敏器件两端由截止变为导通, 两端电压发生相应变化, 从A、B 输出脉冲信号。光电码盘旋转一周产生6 个相位差为30。的A、B 两相6 个脉冲。正、反向测速

11、A、B 两相脉冲波形如图4-3 所示。从A、B 输出的脉冲信号为电平信号, 不能直接连接到PLC 的输入端。还要经过转换电路将电平信号转换成开关信号, 再送入PLC 输入端。图2 中IC、R4、T1 就是为此而设计的计数接口电路。IC 是一个异或门, 将两路脉冲信号合成一路信号。西门子PLC 有高速一相一输入计数器, 本文用到的计数器为C235C240 , 其相应计数输入端为X0X5。4.4 控制软件设计利用PLC 对机械手进行控制, 需要将手爪的运动控制转化为对机械手的直流伺服电机的控制。为了使手爪准确到达所要求的位置, 需要精确计算出每个电机所应转的角度, 即根据手爪在运动空间的初始位置和

12、目标位置计算出在空间坐标系中的相对运动量, 并将其换算成PLC 控制的内部指令。各关节运动如图4-1 所示。电机2、3、4 控制的关节始终在同一平面内转动, 而电机1 所控制的关节始终在关节2、3、4 所处的垂直平面内转动, 电机5 控制手腕的转动。 PLC 内部应用程序运行后, 首先, 腰部电动机M1根据PLC 指令开始运转, 相应计数器进行计数, 计数器计满数据后, PLC 输出控制指令, 使M1 停止转动,同时启动M2、M3、M4、M5 一起动作, M2、M3、M4、M5 转动到位后均停止转动, 手爪抓住物体后, 电机M2、M3、M4、M5 重新运转, 将物体提高至某一高度后停止, 然后

13、启动电机M1 转动至预定位置后, M2、M3、M4、M5 动作放下手爪, 而后M2、M3、M4、M5 动作回位, 机械手回到起始位置。设计程序是通过PLC 的内部计数器来对电动机进行控制。电动机转动时, 光电编码器输出与电机转速成一定比例的脉冲频率。PLC 的内部通用计数器的计数频率小于10Hz , 输入脉冲信号的频率远大于这一频率, 因而必须使用PLC 内部的高速计数器。PLC 高速计数器的输入端是固定的, 高速计数器采用中断处理方式的计数方式, 与PLC 的内部频率无关。采用的高速计数器是C235、C236、C237、C238、C239,对应的计数输入端是X0、X1、X2、X3、X4、。因

14、为各个高速计数器的计数输入固定, 所以输入端口被占用后, 另外的计数器就不能使用。因而无论电动机的正反转都采用同一个计数器, 这就产生了一个问题,即每次计数前, 计数器都要清零, 这就会影响前一个过程已经计数过的计数器的输出动作。于是我们就采用了一个辅助继电器来控制输出, 这样不会影响前一个流程已经有输出的计数器。计数器输入为X0X5 , 高速计数器自动读取相应输入端的数值, 在程序里面不需要对其编程, 只需对计数器设定一个计数初值启动。X6X13 为单个电机正转手动控制输入端, 各输入控制相应的电动机转动,X14X21 为单个电机反转手动控制输入端。X22 为自动启动按钮, PLC 运行后,

15、 按下X22 将自动运行程序。X23 为手动启动按钮, 只有按下X23 后, X6X13 与X14X21 才有效, X22 和X23 不能同时按下。4.5 plc控制梯形图参考文献1 张建民，工业机械人.北京：北京理工大学出版社，19882宋立权. 机械基础实验.北京：机械工业出版社 20053吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册 北京：高等教育出版社 19994天津大学工业机械手设计基础编写组，工业机械手设计基础。天津：天津科学技术出版社，19805 熊有伦，机器人技术基础。武汉：华中科技大学出版社，19966王庭树，机器人运动学及动力学。西安：西安电子科技大学出版社，19907彭文生 黄华梁 等，机械设计基础。武汉：华中理工大学出版社，2003.38张展主编，实用机械传动设计手册，科学出版社，1994.6 第1 版