工业机械手模型基于PLC的控制系统软硬件设计Word格式文档下载.docx
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Inindustrialproductionandotherdomains,becauseworksneed,thepeoplefrequentlyreceivefactortheandsoonhightemperature,corrosionandvirulentgasharm,increasedworker'
slaborintensity,evenendangerslife.Theindustrymanipulatorlikethiswasborn,themanipulatorisintheindustryrobotassemblysystemthetraditionaldutyimplementingagency,isoneofrobotkeycomponents.Theelectricalaspecthastheelectricalmachinery,theswitchingpowersupply,thesolenoidvalve,andsoontheelectronicdevicecomposition.Thisequipmenthascoveredtheprogrammablecontroltechnology,thepositioncontroltechnology,theairoperatedtechnologyandsoon,istheintegrationofmachinerymodelrepresentsoneofinstruments.ThisarticleintroducedthemanipulatorisoutputsfourgroupsbyPLCseparatelytoactuatetheabscissaaxis,thez-axis,thechassisrotation,handturnsanelectricmotor,controlsthemanipulatorabscissaaxisandthez-axispintpointing,themicroswitchbequeathsthepositionsignalthePLCmainengine;
Theelectricalmachinerydrivesthehandfingernailandthechassisrevolves;
Thesolenoidvalvecontrolstheairvalvetheswitchtocontrolthemanipulatorhandfingernailtogather,thusrealizesthemanipulatorpropermotionfunction.Thistopicplanstheindustrymanipulatormodelwhichdevelopstobepossibleinthespacetograspputstheobjectnimbly,themovementisdiverse,mayreplaceartificiallycarriesontheworkinhightemperatureandthedangerousoperationarea,andmaychangestherelatedparameterasnecessaryaccordingtotheworkpiecechangeandthemovementflowrequest.
Keywords:
ProgrammablecontrollerPLC,manipulator,electricalmachinery,freeposition.
1绪论
1.1课题背景
随着我国社会经济的迅猛发展,人民物质文化生活水平日益提高,随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。
为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们研究就得开发多工步搬运机械手。
新中国成立特别是改革开放以来,我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。
同时,必须清醒地看到,我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。
全面建设小康社会,既面临难得的历史机遇,又面临一系列严峻的挑战。
经济增长过度依赖能源资源消耗,环境污染严重;
经济结构不合理,农业基础薄弱,高技术产业和现代服务业发展滞后;
自主创新能力较弱,企业核心竞争力不强,经济效益有待提高。
在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面,有诸多困难和问题亟待解决。
从国际上看,我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。
为了抓住机遇、迎接挑战,我们需要进行多方面的努力,包括统筹全局发展,深化体制改革,健全民主法制,加强社会管理等。
与此同时,我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新,带动生产力质的飞跃,推动经济社会的全面、协调、可持续发展。
进入21世纪,我国作为一个发展中大国,加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距,还需要较长时期的艰苦努力,同时也有着诸多有利条件。
中华民族拥有5000年的文明史,中华文化博大精深、兼容并蓄,更有利于形成独特的创新文化。
只要我们增强民族自信心,贯彻落实科学发展观,深入实施科教兴国战略和人才强国战略,奋起直追、迎头赶上,经过15年乃至更长时间坚韧不拔的艰苦奋斗,就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。
科技工作的指导方针是:
自主创新,重点跨越,支撑发展,引领未来。
自主创新,就是从增强国家创新能力出发,加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。
重点跨越,就是坚持有所为、有所不为,选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域,集中力量、重点突破,实现跨越式发展。
支撑发展,就是从现实的紧迫需求出发,着力突破重大关键、共性技术,支撑经济社会的持续协调发展。
引领未来,就是着眼长远,超前部署前沿技术和基础研究,创造新的市场需求,培育新兴产业,引领未来经济社会的发展。
这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结,是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。
要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。
在对外开放条件下推进社会主义现代化建设,必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。
改革开放20多年来,我国引进了大量技术和装备,对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。
但是,必须清醒地看到,只引进而不注重技术的消化吸收和再创新,势必削弱自主研究开发的能力,拉大与世界先进水平的差距。
总之,必须把提高自主创新能力作为国家战略,贯彻到现代化建设的各个方面,贯彻到各个产业、行业和地区,大幅度提高国家竞争力。
我国科学技术发展的总体目标是:
自主创新能力显著增强,科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强,为全面建设小康社会提供强有力的支撑;
基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强,取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果,进入创新型国家行列,为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础,形成比较完善的中国特色国家创新体系。
1.1.1设计的目的和意义
科学技术的飞速发展,产品功能要求的日益增多,复杂性增加,寿命期缩短,更新换代速度加快。
然而,产品的设计,尤其是机械产品方案的设计手段,则显得力不从心,跟不上时代发展的需要。
目前,计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究,并初见成效,而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
为此,作者在阅读了大量文献的基础上,概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法,并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
科技人才是提高自主创新能力的关键所在。
要把创造良好环境和条件,培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才,充分调动广大科技人员的积极性和创造性,作为科技工作的首要任务,努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面,努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适应的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍,为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。
1.2设计要求
采用PLC构成机械手的自动控制系统,可通过修改PLC控制程序,改变对机械手模型的控制要求。
机械手横轴水平面内作前后方向运动,竖轴能在垂直面内作上下两方向运动,底座能作正反两方向旋转,手能正反两方向旋转,并且底座能在任意位置停止的功能。
机械手抓取:
最多1.5kg的重物;
机械手前后最大行程500mm;
上下最大行程800mm。
模型如图1.1;
图1.1模型图
1.2.1控制要求
1、接通电源后,机械机构自动复位;
2、横轴前伸;
3、机械手旋转到位;
4、电磁阀动作,机械手张开;
5、竖轴下降;
6、电磁阀复位,机械手夹紧重物;
7、竖轴上升;
8、横轴缩回;
9、底盘旋转到位;
10、横轴前伸;
11、机械手旋转;
12、竖轴下降;
13、电磁阀动作,机械手张开,放下货物;
14、竖轴上升复位。
1.3PLC的发展概况
可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的,现已广泛应用于工业控制的各个领域。
它以微处理器为核心,用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等,并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
1.3.1可编程控制器的产生
PLC是在激烈的市场竞争中产生的,20世纪60年代末,美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要,美国通用汽车公司(GM)对控制系统提出要求为:
(1)能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统,既传统的继电-接触器控制,它简单易懂,价格低廉,能够满足生产工艺改动频繁的需要;
(2)编程简单;
(3)模块式结构;
输入、输出电压是交流115V(美国标准),输出能直接驱动继电器和电磁阀;
(5)抗电磁干扰强;
(6)具有数据通信功能。
就是把继电-接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来,用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电-接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司(DEC)在1969年根据上述要求,研制出世界上首台可编程控制器,并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功,实现装配线的自动控制。
1.3.2PLC的定义
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(National
Electrical
Manufactory
Association)经过四年的调查工作,于1984年首先将其正式命名为PC(Programmable
Controller),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。
1.3.3PLC的特点
高可靠性【4】
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10~20ms。
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。
丰富的I/O接口模块【4】
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。
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。
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。
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。
2机械手概述
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。
工业机械手是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,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。
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。
2.1机械手的定义与分类
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识,其一,它能部分代替人工操作;
其二,它能按照生产工艺要求,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。
因此,它能大大地改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而,受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。
在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的成果,受到各工业部门的重视。
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手,它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的,称为操作机。
它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”,它是为主机服务的,由主机驱动,除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。
在现代生产企业中,自动化程度较高,大量应用机械手。
通过本次设计,可以增强对工业机械手的认识,同时并熟悉掌握PLC技术、位置控制技术、气动技术等工业控制常用的技术。
2.2机械手发展情况
目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围,以减轻劳动强度,改善作业条件。
在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。
将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及用于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不同的典型部件,即可组成不同用途的机械手,即便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。
同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以更好地发挥机械手的作用。
在机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界的变化。
如果机械手发生某些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏,但若有了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。
执行机构包括手部、手臂和躯干。
手部装在手臂前端,可以转动、开闭手指。
机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种。
手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多。
可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要。
本设计采用二指的构造。
手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置上。
为了使机械手能够正确地工作,手臂的三个自由度都需要精确地定位。
总之,机械手的运动离不开直线移动和转动二种,因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。
躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。
驱动机构主要有四种:
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
其中以电气、气动用得最多,占90%以上,液压、机械驱动用得较少。
液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。
它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动;
利用摆动液压马达、液压缸与齿条、齿轮与链条、链轮等实现回转运动。
液压驱动的优点是压力高、体积小,出力大,动作平缓,可无级变速,自锁方便,并能在中间位置。
缺点是需配备压力源,系统复杂,成本较高。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。
一般采用4~6个大气压,个别达到8~10个大气压。
它的优点是气源方便,维护方便,成本低。
缺点是出力小,体积大,由于空气的可压缩性大,很难实现中间位置停止,只能用于点位控制,而且润滑性较差,气压系统容易生锈。
本设计的手爪部分采用气压驱动。
电气驱动时,直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。
通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。
电气驱动的优点是动力源简单,维护、使用方便。
驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力,出力比较大。
本设计采用步进电动机驱动手臂运动,直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。
机械驱动只适用于动作固定的场合。
一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。
它的优点是动作确实可靠,工作速度高,成本低;
缺点是不易调整。
机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。
机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种,目前以点位控制为主,占90%以上。
控制系统可以根据动作的要求,设计采用数字顺序控制,它首先要编制程序加以储存,然后再根据规定的程序,控制机械手工作。
对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。
本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现,具有编程简单、修改容易、可靠性高等。
2.3机械手的发展趋势
随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。
代表当今最先进的技术在日本,他的自动化,人性化令人叹为观止,这些技术依赖于控制理论、新材料科学,它是融合各种尖端技术的现代机器。
我国也陆续在工业中有所应用,对于自动控制,柔性制造系统中应用更为广泛,但我国的自动化水平有待提高。
随着工业现代化的发展,机械手技术也随之提高,发展的趋势是工作强度高,灵活性强,准确可靠,可以自动检测并下达动作命令,融入先进的人工智能,使人只作平时的简单的维护,这也是现代工厂的发展趋势。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
3控制系统硬件设计
对于机械手的控制系统可以采用多种方式,如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。
但由于此明确指定采用PLC可编程控制器控制实现,所以,不用我们去考虑控制硬件方案,只是要对PLC进行比较选择。
3.1PLC的选型
对于PLC的选择,我们必须考虑多方面的因素。
例如输入、输出的最多点数;
扫描速度;
内存容量;
指令条数;
功能模块等。
同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。
3.1.1常用PLC介绍
PLC发展这么多年,技术成熟,各种型号的也很多,各个厂家生产的也有一定区别,各个重点发展方向也不同,所以我们必须根据自己设计需要,考虑如何选择。
西门子S7-200系列可编程控制器介绍:
SIMATICS7-200系列PLC是德国西门子(
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