通用上下料机器人控制系统设计

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河南工程学院

毕业设计（论文）任务书

题目通用上下料机器人控制系统设计

专业机械设计及其自动化学号姓名

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

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。确定通用上下料机器人的控制方案，比较选取最合适的控制方案，实现对机械手和机械臂同时控制。要求该系统实时快速、操作方便，比较符合上下料控制系统的需要。

基本要求

完成通用上下料机器人控制系统设计。

主要内容包括：

1．查阅国内外相关文献不少于15篇（其中外文文献不少于2篇，列入参考文献中），根据查阅的文献资料情况，写出文献综述（不少于3000字）；翻译外文文献一篇（译文字数不少于3000字）。文献综述与翻译单独装订成册。

2．确定控制方案。

3．写出程序，流程图。

4．按要求撰写毕业论文。

参考资料：

1．推荐参考书：

[3] 李允文．工业机械手设计[M]．北京:机械工业出版社,1996．

[4] 程宪平．可编程控制原理及应用．化学工业出版社，2009．8

[5] 史国生．PLC在机械手步进控制中的应用[J]．中国工控信息网,2005．1

[6] 王永华．现代电气控制及PLC应用技术[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2009．

2．学术期刊、学术会议等其它参考文献

自备。

完成期限：

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

目录

摘要....................................................................................................................................I ABSTRACT ........................................................................................................................ II 1 绪论 . (1)

1．1本课题研究背景的意义 (1)

1．2国内外研究动态及发展趋势 (1)

1．3本文的主要工作 (2)

2 机械手简介 (3)

2．1 机械手的分类 (3)

2．2 常见机械手分类 (4)

3控制方案 (9)

3．1 系统控制器的选择 (9)

3．2PLC的基本知识 (10)

3．3 PLC、电机选型 (12)

4控制系统设计 (17)

4．1 硬件系统设计 (17)

4．2 软件系统设计 (20)

4．2．1 梯形图编语(LD-Ladder Diagram) (20)

4．2．2控制流程图 (21)

4．2．3梯形图设计 (22)

结束语 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

通用上下料机器人控制系统设计

摘要

机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等。本文介绍的机械手是由PLC输出控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给可编程控制器PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的通用上下料机械手可在空间内抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键词： PLC；可编程控制器；机械手

GENERAL FEEDING ROBOT CONTROL SYSTEM

DESIGN

ABSTRACT

Manipulator is a traditional industrial robot system task executing agency, is one of the key components of the robot．The mechanical structure of the manipulator with ball screw, slider, such as mechanical parts; Has ac motor, frequency converter, sensors, electrical and other electronic devices．This unit covers the programmable control technology, position control technology, testing technology, etc．Manipulator is introduced in this paper by PLC output control manipulator transverse and vertical shaft precision positioning, micro switch position signal to host programmable controller PLC; Position feedback

signals from the proximity switch to the PLC host computer, through the control of manipulator gripper zhang, so as to realize the function of manipulator movement accurately．This topic proposed the development of general loading manipulator can catch put objects into space and flexible, can replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas, and can according to the requirement of the change and movement of the workpiece process at any time change the related parameters．

KEY WORDS：PLC；The programmable controller；manipulator

1 绪论

1.1本课题研究背景的意义

作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。

机械手的积极效应越来越被认可,首先,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件传输。因此,它可以极大地改善工作条件的员工,加快工业生产机械化和自动化。因此,带的注意先进单位和投入了大量的人力物力来研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声、应用更广泛。在我国,现代也有近年发展迅速,取得了一定的成果,将各种工业部门的注意，本课题的工作为此提供了实际依据。

1.2国内外研究动态及发展趋势

机械手用于机械制造业,发展迅速。目前主要用于机床、卧式模锻压力机上下,点焊,喷漆,如作业,它可以按照预先确定的操作程序来完成指定的操作。机械手的发展趋势是大力发展海外具有一定的智能机械手。可以使它具有一定的传感能力,反馈的外部情况的变化,自作相应的修改。如位置略有偏差时,可迅速纠正和测试他们自己,中期实施侧重于研究机械功能的视觉和触觉。目前已经取得了一定的成就。世界高端工业机械手有高精化、高速度、多轴,轻量级开发的趋势。定位精度可以满足要求的微米和亚微米级,运行速度可达3米/秒,新产品的数量的六轴、负载2公斤的产品系统现在的总重量100公斤。更重要的是机械手,柔性制造系统,结合柔性制造单元,从根本上改变当前状态的人工操作机械制造系统。同时,随着小型化和微型化的机械手,其应用领域将突破传统领域的机械、电子信息、生物技术、生命科学和向和航空航天等高端产业的发展。

目前国内机械主要用于机械加工，铸造，热处理等的数量，类型，功能不

能满足我国工业生产发展的需求。所以，在国内主要是逐步扩大的应用范围，机械手，机械铸造，热处理的发展，从而大大降低劳动强度，改善工作条件，专用机械手的同时，相应的开发中的应用一般机械手，具有相应的条件和教学操纵，同时在计算机控制的机械手和组合机械手等，提高了机械的速度，减少操作，精确定位正确，为了更好地发挥机器人的作用工业生产。与世界同步，也应大力研究伺服，内存中的表示，触觉，视觉等的操纵性能，并考虑腹腔镜手术，通常是连接到一台计算机，并逐渐成为整个机械的基本单位制造系统[1]。

1.3本文的主要工作

1．问题提出：

PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统，在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。

2．系统设计的主要内容

(1)拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；

(2)选择电气传动的形式和电动机、电磁阀等执行机构；

(3)选定 PLC 的型号；

(4)编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图；

(5)根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；

(6)了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；

2 机械手简介

2.1 机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

一、按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械

手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大

批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。

2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

二、按驱动方式分

1、液压传动机械手

此类是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下

工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手

此类是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

此类机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。

4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

三、按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

2.2 常见机械手分类

按机械手的不同运动形式及组合情况，其坐标型式可分为以下几类：

(1)直角坐标式

如图2-1所示机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角坐标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种坐标型式的机械手称为直角坐标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。

图2-1 直角坐标式机械手

(2)圆柱坐标式

如图2-2所示的机械手，其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为圆柱坐标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围大，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手的结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。

图2-2 圆柱坐标式机械手

(3)球坐标式

如图2-3所示的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为球坐标式机械手。

这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差较大。

图2-3 球坐标式机械手

(5)关节式

如图2-4所示机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均有铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回

）和大臂的回转（Ф）。转运动所组成，即大臂的俯仰（θ）、小臂的俯仰（θ

2

这种坐标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。

图2-4 关节式机械手上述四种坐标型式主要根据手臂的运动来确定的，也可以由某二种坐标型式组合起来应用。

机械手坐标型式的正确选择，要通过坐标型式方案的比较来确定。在拟定坐标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、、安装空间的要求，结合各种坐标型式的特点来分析比较，确定比较合理的坐标型式。本方案考虑通用性，精度，搬运物等综合考虑选用圆柱坐标式机械手。

3控制方案

3.1 系统控制器的选择

工业机器人的运动控制器是控制技术与运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合编程软件、运动轨迹控制、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需要对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对相关情况做出及时反应。目前先进的运动控制器主要是以微机(PC)为基础的数字化控制系统、以高速的数字信号处理器(DSP)为核心的全数字化控制系统和以PLC为核心的全数字化控制系统。

(1)基于PC技术的运动控制器

计算机技术的发展在工业控制领域也同样导致技术面貌的迅速改变。工业控制机，特别是采用PC技术的工业PC的涌现，大大推动和促进了开放式运动控制的发展。基于工业PC的运动控制器可以利用PC强大的软件环境和技术支持，摆脱专用封闭式控制系统的束缚和不便。从软件上看，其主要作用是利用其高效运算功能、管理与监控能力以及丰富的软件资源，实现更高的控制算法、轨迹插补算法和补偿算法，从而丰富运动控制软件，并大大提高伺服扫描速度，提高系统的分辨率，以实现最小的移动单位和最大的进给速度，便于用微小程序段以高速度、高精度实现轨迹形状复杂的曲线或曲面。

(2)基于DSP运动控制器

20世纪90年代以来，数字信号处理（简称DSP)在运动控制器中得到越来越广泛的应用，这主要是因为它的高速运算使得很多复杂的控制算法和功能得以实现，而且集成度高，它利用控制器本身独特的硬件结构可以实现快速的硬件位置捕捉功能。DSP系统具有接口方便、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便等优点，目前市场上已出现了多种DSP型的高级运动器，这些芯片能同时控制多轴，有的己包含了运动轨迹插补运算及包含有前馈补偿功能的算法，这为多轴伺服电机的控制带来了极大的方便。但由于DSP技术更新的速度快、数学知识要求多，开发和调试工具还不完善，轨迹控制，多轴联动参数匹配等需通过编制程序来实现，掌握对机械手的控制比较困难。

(3)基于PLC的运动控制

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。随着PLC的发展，出现了更多的功能强大的指令，这些指令本身在单操作的意义上提供了更强的计算能力，特别是运动控制指令和在网络通讯方面功能更加强大，命令支持各种运动功能，实现多轴协调控制、高度的集成操作及位置环和速度环的闭环控制，能够满足高性能工业机器人位置和运动精度要求。

虽然采用基于PC的运动控制器和基于DSP运动控制器也能够实现机械手的运动控制，但是采用PLC的控制接线简单，只需通过运动控制指令便可实现对机械手的运动控制，由PLC构成机械手控制器，硬件配置的工作量较小，无需作复

杂的电路板，只需在端子之间接线。因此本设计选用PLC为机械手运动控制器[2]。

3.2PLC的基本知识

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术应时出现并快速发展。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。 PLC可以不断更新发展在产业发展，是因为它更适合于工业领域和市场的需求：可靠性高，能力强，抵御各种干扰，编程简单安装使用，使用寿命长，价格低。它更接近现场设备的输入/输出端，中间，或不需要加多少部分需要更多的接口，这样可以节省用户的安装时间，更多的用户，以降低成本。PLC 的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。用户在应用它时，不需要进行专门的计算机培训，就能对PLC进行基本操作及编程。

总之，可编程控制器像是计算机，一台为了专门应对工业生产环境而设计的计算机。它有丰富的输入/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是针对某一具体工业应用，在实际应用时，某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。

PLC的优点

(1)实时性，可靠性

实时性是电气控制设备的前提性能。PLC产品的设计的开发是基于控制前提的，所以它的信号处理时间短，速度快。它的实时性使它经常用于处理联锁

保护工业控制装置，能满足各种工业领域的大、中、小型工业控制项目。

可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统就具有极高的可靠性。

(2)配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，产品种类繁多，规模分成了大、中、小各种规模的系列化产品。I/O卡种类丰富，可以根据工控的不同要求进行不同的配置，适用于各种规模的工业控制场合。现代PLC除了逻辑处理功能以外，还大多具有比较完善的数据运算能力，能够适用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，能够让PLC轻松实现位置控制、温都控制、CNC机床控制使。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

(3)安装简单，易学易用

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它可以在各种工业环境下直接运行，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，直观性强，只需用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。使不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制变得非常便捷。

(4)安装简单，维修方便

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

(5)体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅为数瓦。由于体积很小很容易装入工业机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备[６]。

3.3 PLC、电机选型

1 PLC机型的选择

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。

进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的ｗ装置等。

2 输入/输出的点数：

I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC 采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。

此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。

本论文首先应明确控制的任务和范围，确定所需的动作流程，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，再通过PLC的类型、输入输出模块的选择、电源的选择、存储器的选择、冗余功能的选择和高性能价格比，本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。可编程序控制器采用F系列的F1——60MR。