机械手控制系统设计

河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要I摘要当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。而采用最新的自动化技术正是解决这一系列问题的有效手段。随着机器人技术的不断发展，机器人在工业生产上的应用越来越广泛。运用工业机器人提高自动化程度、降低生产成本是十分必要和有效的。正是在这种背景下，该课题试图研发的就是运用机器人技术的分支----工业机械手解决生产过程中的自动搬运物件问题。该文通过对生产基本概况的分析，明确了机械手的功能需求和动作流程，提出了机械手的整体设计方案。采用CAD软件完成机械手部分零部件的设计，通过查找了大量资料，了解并完成了步进电机和其驱动器的选型。通过对本机械手控制流程的分析，确定本机械手采用以PLC为核心的控制系统。再对机械手功能的分析，设计出控制部分梯形图以及控制程序，并完成PLC的I/O点分配和硬件接线图。关键词：机械手，可编程控制器，步进电机，气动装置河南城建学院本科毕业设计（论文）AbstractIIAbstractToday’srapiddevelopmentofautomationtechnologyisnowinarapidchangeofthetimes.Fromthesemiconductorandconsumerelectronicsproducts,totheautomotiveandaerospacemanufacturingandlightindustryandlogisticsindustry,andsoonawiderangeofindustrialsectorsarefacingincreasinglyintenseglobalcompetitivepressures,theyneedtofurtherreducecostsandshortentheproductioncycle,andTothespeedycompletionoftheupgradingofproducts.Theapplicationofthelatestautomationtechnologyisthesolutiontothisseriesofeffectivemeasures.Withthecontinuousdevelopmentofrobottechnology,industrialrobotproductionintheapplicationofmoreandmoreextensive.Useofindustrialrobotsincreaseddegreeofautomation,reduceproductioncostsitisextremelynecessaryandeffective.Itisagainstthisbackground,thesubjectistryingtodeveloptheuseofrobottechnologybranch----industrialmachineryhandintheproductionprocesstoresolvetheproblemofautomaticallymovingobject.Basedontheproductionofbasicprofilesofanalysis,clearlythefunctionofthemechanicalhandanddemandactionprocess,amechanicalhandtotheoveralldesignoftheprogramme.CADsoftwareusedtocompletemanipulatorsomepartsofthedesign,throughtofindagreatdealofinformation,understandingandcompletedthesteppermotoranditsdriveoftheselection.ThroughthismechanicalhandcontroloftheprocessofdeterminingthemechanicalhandtoadoptPLCasthecoreofthecontrolsystem.There-analysismanipulatorfunction,tocontrolthedesignoftheladderandcontrolprocedures,andcompletedthePLCI/Ohardware,distributionandaccess.Keywords：manipulator，PLC，steppermotor，pneumaticdevice河南城建学院本科毕业设计（论文）目录III目录摘要.....................................................IAbstract................................................II1绪论...................................................11.1工业机械手的概况.....................................11.1.1工业机械手的组成....................................11.1.2机械手的分类.......................................31.1.3工业机械手的应用状况.................................41.2设计任务............................................52机械手总体设计.........................................62.1系统控制器的选择.....................................62.2机械手的功能分析与动作流程.............................73系统硬件设计..........................................103.1机械手控制系统设计硬件选型............................103.2机械手控制系统硬件的连接..............................194系统软件设计..........................................204.1机械手控制系统状态流程图..............................204.2机械手控制系统程序的编写..............................254.3机械手控制系统仿真...................................29总结....................................................34参考文献................................................35致谢....................................................36附录....................................................37附录A机械手控制系统梯形图..............................37附录B机械手控制系统硬件连接图...........................48河南城建学院本科毕业设计（论文）1绪论11绪论1.1工业机械手的概况机器人学是一门综合性的新兴学科，它设计机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能学等多门尖端学科。工业机械手是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机械手已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量和数量，而且对保障人身安全，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，促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportsofmasteries,parts,toolsorspecializedSystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks）。随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准GB/T12643-90也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。1.1.1工业机械手的组成一个完整的工业机械手通常由执行机构、驱动——传动装置、控制系统和智能系四部分组成(如图1.1所示)：河南城建学院本科毕业设计（论文）1绪论2图1.1工业机械手的组成执行机构(也称操作机)是机械手赖以完成任务的实体，通常由杆件组成。驱动——传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，他们通常与执行机构连成一体，驱动机构通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置；传动机构常用的有滚珠丝杠、谐波减速器、链、带以及各种齿轮轮系。控制系统一般由计算机和伺服控制器组成，前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时要完成编程和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备(电焊机、喷枪)之间的信息传递和协调工作，后者控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统，它分为两个部分:感知系统和分析——决策智能系统，前者主要是靠硬件(各类传感器)实河南城建学院本科毕业设计（论文）1绪论3现，后者主要靠软件(如专家系统)实现。1.1.2机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：1.按机械手的使用范围分类：(1)专用机械手：一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。(2)通用机械手（也称工业机器人）：指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点——位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点——位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。2.按机械手臂部的运动坐标型式分类：(1)直角坐标式机械手臂部可以