PLC在工业机器人控制中的设计应用

设计题目 基于PLC的机械手控制系统设计

摘 要

【摘要】

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

ABSTRACT

Manipulator hand and arm can imitate the certain movements function, according

to fixed program to grab, transporting or operating tool for automatic operation

of the device. It can replace the hard labor in order to realize people the

青岛科技大学本科毕业设计论文

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前 言

随着我国工业生产的飞跃发展，自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、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

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。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手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自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环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

本文将通过西门子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来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、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中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非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的机械手控制系统设计

2 1机械手概述

1.1机械手简介

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基于PLC的工控系统的设计

作者：康霞

来源：《职业·下旬》2011年第02期

现代工控系统往往包含机械、电子、自动控制、计算机软件和硬件等诸多技术，是一个典型的多学科交叉的技术领域。随着计算机软硬件技术的发展，在现代工控系统设计中以工业计算机——PLC为中心的特点愈发明显，在系统的设计阶段和实现过程中都离不开PLC技术的支持，特别是最终产品的性能很大程度上取决于PLC的性能。基于PLC的工控系统功能越来越强大，结构越来越复杂。如何采用适用的设计方法，缩短系统设计时间，保证系统的强大功能和可靠性，是工控系统设计师急需解决的问题。

一、现代工控系统的特点

1.实时性

控制系统需要与外部环境交互，具有较强的实时性。要求对系统的输入信号在限定的时间内给出输出结果，设计的复杂性比较高。

2.网络化

现代工控系统大量使用现场总线、工业以太网等网络控制技术，实现了安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信。

3.软件化

现代工控系统的一个典型特征是设计重点逐渐向工业组态软件方面转移。这主要有两个原因，一方面计算机的性能不断提高，过去必须由硬件完成的实时性能可以通过实时软件来实现，使设计的灵活性提高，成本下降；另一方面由于机械系统的产品生命周期一般是5～20年，而硬件和软件的生命周期一般是3～5年。当一个原型产品设计完成后，后续的主要工作变成系统维护和软件升级，要求在设计阶段就要考虑软件的可维护性、可移植性、可升级性。

二、工控系统设计方法

工控系统的总体设计从设计步骤看一般由需求分析、体系结构设计，软、硬件设计、系统集成和系统测试5个阶段构成。各个阶段之间往往要求不断地反复和修改，直至完成最终设计目标。

ＰＬＣ在工业机械手的应用研究　郑建俊　（龙海市质量计量检测所）　摘要：工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产　设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。ＰＬＣ控制机械　手体积小且可以在现场修改和调试程序，达到对生产要求的随时改　变：因此应用ＰＬＣ控制机械手可以实现各种规定的工序动作，可以　简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。　关键词：可编程控制器机械手步进电机精确定位　机械手顾名思义他能够实现人类手的部分功能，可以　按设计的目的要求实现相关的动作，比如抓取物料，搬运　东西等一些简单的动作。这种自动化装置可以代替生产车　间里面繁重的人力劳动以及代替工人在一些高危环境，高　危行业里面进行作业。工业机械手是近年来发展起来的高　科技设备，它涉及机械，力学，自动控制，传感器，计算机等　领域，是一个跨学科的综合性技术。由于机械手在工业部　门的强大作用，必然为国民经济领域带来广泛的发展空　间。为此对工业机械手的研究显得很有必要。　机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位　置检测装置等所组成。构成机械手传动及控制的主要部件　是：步进电机及其驱动器，ＰＬＣ，直流电机驱动及其他部　分。现将主要部分主要功能介绍如下。　１步进电机　步进电动机是将数字信号转换成机械运动的执行元　件：是一种常用的动力驱动设备。　步进电机的工作原理：　在Ａ相的Ａ（＋）、Ａ（一）分别接＋５Ｖ电源和一５Ｖ电源，　在Ｂ相的Ｂ（＋）、Ｂ（一）分别表示接＋５Ｖ电源和一５Ｖ电源。　当Ａ相与Ｂ相按图１—１—１所示顺序通以正负５Ｖ电源　时，步进电机的定子磁极部分将会在磁极以及相邻磁极之　间按顺序感应出一对旋转的磁极与转子的永磁铁相对应，　从而通过转矩拉动转子产生步进运行。这样，通过通电次　序的改变达到改变步进电机的运行拍数、运转方向和运转　速度。假定步进电动机正转运行的通电次序为顺时针，则　典型的两相八拍步（两相八拍通电规律如图１—１—２）进电　动机正转的通电状态的变化规律是：Ａ（＋）一Ａ（＋）Ｂ（一）　Ｂ　（一）—　Ｂ（一）Ａ（一）——　Ａ（一）—　Ａ（一）Ｂ《＋）—＋Ｂ（＋）—　Ａ（＋）Ｂ（十）—÷Ａ（＋）　嚣（．’　：筠＼　ｌ　＾　）　＼　／　／　＼　＾　／　｝　蕾　＇　．　疆　图１—１—１绕组通电矢量图　图１—１—２两相八拍通电规律　２可编程控制器　可编程控制器（简称ＰＬＣ）：它是一个以微处理器为核　心的数字运算操作的电子系统装置，它采用可编程序的存　储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时／　计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输　入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。　本设计采用晶体管输出型Ｓ７—２００　ＣＰＵ２２４　ＣＮ可　编程控制器，可同时输出两路脉冲到步进电机驱动器，控　制步进电机运行，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉　的价格以及强大的命令，可以近乎完美地满足小规模的控　制要求。　３　ＰＬＣ控制器与步进电机驱动器连接的工作原理　ＰＬＣ控制步进电机驱动系统原理框图如下图３—１—１　所示：