多关节机械手控制系统

摘要

随着微处理器、计算机、数字通信技术的迅速发展，计算机控制已广泛的应用在各种工业控制领域，为了满足生产设备和自动化的必须有高度可靠性和灵活性的要求，可编程控制器的出现满足了这一要求，它是以微处理器为基础的通用工业装置。

可编程控制器,简称PLC，它的应用广泛，功能强大，使用方便，已成为当今工业自动化的重要支柱之一，在工业生产的所有领域中得到充分的利用。

PLC已广泛的应用在各种生产设备和生产过程自动控制过程中，PLC在其他领域，例如在民用或家用的自动化设备中的到迅速的发展。

关键词：PLC机械臂旋转传感器梯形图

目录

摘要.......................................................................................................... I

1.多关节机械手简介 (2)

2.多功能机械手控制系统的功能要求 (2)

3.硬件系统配置 (4)

3.1. PLC选型 (4)

3.2. PLC的I/O资源配置 (5)

4.软件系统设计 (6)

4.1. 总体流程设计 (6)

4.2. 梯形图设计 (6)

4.3. 主程序初始化梯形图 (6)

4.4. 机械手运转过程梯形图 (8)

4.5. 步进电机脉冲程序梯形图 (11)

5.总结 (13)

6.致谢 (14)

7.参考文献 (14)

多关节机械手控制系统

1.多关节机械手简介

在工业生产和其他领域的木屑工作中，人们经常那个处于高温或有毒等对人体有伤害的环境中从事重复的劳动，这样生产成本不但高，而且会危及人们的生命安全。随着工业自动化的发展、生产效率的提高和劳动强度的增大，机械手的出现使得这些问题得到很好的解决，把人们从繁重的劳动中解放出来，处理更加复杂的生产过程，既能提高产品质量，又可以使人们受到跟小的伤害。机械手一般由耐高温、耐腐蚀的材料制成，多用于恶劣的生产环境，以及要求精度较高的工作场合。

机械手的出现和发展已经使传统工业发生了根本的变化，从手工。机械式的生产跨越到自动化、智能化的生产。一般的工业机器人指的就是一个机械臂带动一个简单的夹紧机构组成，此类机器人用来完成大范围的工件转移或者加工，且不能实现精细操作的功能，同时由于传统机器人的各个不见的尺寸通常较大，其运动定位的精度就不高，所以无法进行装备及微小操作。普通机械手手抓结构多为夹钳式、托持式、吸附式等，只能用来抓握形状规则而且固定的工件，其抓握能用性非常有限。而多关节机械手则利用关节连接两个相连的杆体，即连杆，关节提供连杆之间的相对运动，在这个机构中关节多是其中一个特点，正是由于关节多，所以抓握功能远远强于传统的夹钳式等机械手。它可以完成对不同形状。不规则工件的抓握

2.多功能机械手控制系统的功能要求

传统的机械手用继电器控制，由于其线路复杂、维护困难、可靠性差等缺点，无法免租机械手的控制需求。可编程控制器（PLC）的出现使得这一问题得到解决，PLC控制，具有结构简单、控制方便、可靠性高、编程简单、功耗低和改造方便的特点。传统的机械手无法完成精确的操作工作，所以PLC控制的多关节机械手的应用逐渐广泛起来，并且能够完成动作要求精度高的工作。

在机械行业中，大部分产品的装备不是采用工人装备的形式就是采用传统的继电器控制系统，工人劳动强度大，产品质量得不到保证，同时继电器经过长期使用后，容易发生故障，维修工作量大，而且生产控制灵活性差、控制过程复杂、控制过程不易改变。在装备线上采用PLC控制可以完成精确定位的要求，提高产品质量、降低工人工作量。此外由于PLC编程简单、组合灵活、可靠性高、控制灵活度高，可根据控制流程的不同，方便的改变控制顺序来满足工艺要求。

其动作过程为：

手臂上升→手臂下降→手爪抓紧→手爪放松→手臂左旋→手臂右旋多关节机械手完成以上动作主要是通过机器写控制来实现的，即利用PLC来控制电动机的转动和电磁阀的通断，电动机的转动来驱动机械手的左右旋转，电磁阀来驱动汽缸的升降，从而控制手臂的上升和下降。其工作如图所示。

（1）手臂上升：使机械手相对于工作台向上移，以满足抓取工件的高度要求。

（2）手臂下降：使机械手相对于工作台向下移，以满足放置工件的高度要求。

（3）手爪抓紧：使机械手抓紧工件，以完成工件抓起要求。

（4）手爪松开：使机械手放松工件，以完成工件松开要求。

（5）手臂左旋：在不改变工件高度的情况下，完成工件移动任务

（6）手臂右旋：在不改变工件高度的情况下，完成工件移动任务，以便再次抓取工件

3.硬件系统配置

完成了对功能要求的描述设计出如图所示的系统硬件图，在次系统中仅靠PLC主机是无法完成工作的，因此拓展了一个I/O和两个模拟量输入输出模块，以及两个光电开关和一个可控电机。

3.1.PLC选型

根据系统控制要求的经济性和可靠性来考虑，选择西门子系列PLC作为过关节机械手的控制主机。从多关节机械手的控制要求中可以看到，此次需要15个数字量输入，8个数字量输出，共需23点I/O，根据I/O点数，一级程序容量，选择了CPU224作为主机。CPU224具有一下特性：

（1）8K字节程序存储器

（2）2.5K字节数据存储器

（3）1个可插入的存储器子模块

（4）14个数字量输入，有四个可以做硬件中断，10个用于高速中断功能（5）10个数字量输出，其中两个可用作本机集成功能。

（6）2个8位分辨率的模拟电位器

（7）数字量输入/输出，最多可扩展成94个数字量输入，74个数字量输出（8）数字量输入/输出，最多可以扩展成28个模拟量输入和7个模拟量输出，或者14个模拟量输出

（9）256个计数器，计数范围0~32767

（10）256个内部标识位

（11）256个定时器

（12）4个中断输入

根据此系统的控制要求和资源要求，采用EM223模块中的4点输入/4点输出模块。由于需要测量每个手指的压力值，需要将传感器的值输入到PLC中进行判断，所以扩展两个模拟量模块。全部选用EM235模块。模拟量输入输出扩展模块

EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。EM223和EM235以及PLC之间用排线相连。

3.2.PLC的I/O资源配置

1．数字输入部分

在此系统中，要求数字输入有急停按钮、手动/自动按钮，以及上下左右限位开关、光电开关等共15个输入点。

.模拟量输入部分

在这个系统中要采集手指上传感器的信息，所以扩展了两个模拟量输入模块具体分配。

数字量输出部分

此系统外部设备主要有上升和下降电磁阀、左旋/右旋继电器、抓紧/松开电磁阀以及控制传送带2启停的继电器，工7个数字量输出点，具体分配。

4.软件系统设计

4.1.总体流程设计

根据控制要求，此机械手有一下几个动作步骤

（1）旋钮置于自动，按下启动按钮，工作台开始运作

（2）机械手在汽缸的驱动下上升至设定位置，同时传送带1开始运行

（3）机械手在到达设定高度后，手臂开始左旋至设定位置，同时传送带1上的光电开关检测工件是否到位

（4）若传送带1上的工件到位，则机械化手在汽缸的驱动下下降到设定位置；如果工件未到位，机械手则在上限等待工件到位

（5）工件到位后机械手下降至设定位置，机械手开始抓取工件

（6）手爪抓紧工件后，机械手上升到设定位置

（7）上升到位后，机械手开始右旋至设定位置

（8）右臂右旋到位后，开始下降到预定位置

（9）下降到位后，手爪松开，放下工件，同时开始计时，时间为5s

（10）放下工件后机械手再次上升至设定位置

（11）上升到位后机械手抓紧端盖

（12）下降至设定位置，手爪松开端盖置于工件上

（13）定时时间到，传送带2启动，将工件送到压盖机处

（14）工件到位传送带2停止，压盖机工作

若没有收到停止信号，则机械手上升，继续重复步骤（2）至（14）;若收到停止信号，则停止所有PLC设备，使动作停止。

4.2.梯形图设计

流程图设计完成后，需要对各个过程进行分解细化，这样在程序编写时就会简洁明了。最后连接起来也便于发现问题，当控制过程太过于复杂时，采用模块化设计显得尤为种要。采用模块化设计可以使调试变得简单方便,出现问题便于解决。

4.3.主程序初始化梯形图

在此系统的控制过程是按顺序执行的，所以选择采用顺序控制指令。多关节机械手控制主程序初始化梯形图

4.4.机械手运转过程梯形图

主要是对高速计数器和高速脉冲输出指令进行初始化。对于高速计数器，选用高速计数器HSC0，工作方式为模式0，输入口为I0.0。设置HSC0的功能为：复位与启动输入信号都是高电位有效、4倍计数频率、计数方向为增计数、预置脉冲数为10000个、允许更新双字和执行HSC指令。

手臂的左右旋转采用步进电机进行控制是为了提高定位的精度，所以需要用到高速计数和告诉脉冲输出，对发出的脉冲数和接收到的脉冲数进行比较，如果相等，则定位准确，如果两者有偏差，则补发脉冲，最后达到设定的位置上。梯形图如图

4.5.步进电机脉冲程序梯形图

对步进电机脉冲输出控制，，由于步进电机本身特性，启动频率不宜太高，所以在启动阶段输出脉冲周期为500ms，而且周期逐步减少，缓慢提高脉冲输出频率；在第二阶段脉冲输出周期为50ms,在这个阶段手臂的移动速度最快，当达到设定位置的时候，也需要缓慢降低频率值，第三阶段的脉冲周期为200ms，达到设定位置后能可靠停止。

针对传感器采集到的值传到PLC处理的子程序，由于机械手在每次加工过程中都要移动两个工件，对于不同的工件，手爪的力度是不同的，为了防止抓力过大，对工件造成损坏，设置两个不同的压力对比值。

在软件程序设计中，程序主要包括：控制系统的主程序、对告诉脉冲的输出和告诉计数器进行初始化设置的子程序的处理传感器返回值的子程序。在主程序中，主要采用了顺序控制指令。在多关节手的工作过程中是严格按照一定顺序运行的，采用顺序控制指令，下一个动作开始执行时，前一个动作的所有元件全部复位到初始状态，减少了误动作的总结与展望

5.总结

这是我在大学学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程有助于培养我的学习能力和独立工作能力。

多关节手控制系统这个题目对于我而言是一个全新的挑战。在设计过程中着重强调对PLC模拟量的编程，模拟量控制一直是许多同学在学习中存在的困难问题，我也不例外。我选择这个题目，就是想在大学这最重要的时间里，把自己平时存在的问题解决掉，不能够带着问题遗憾的离开我的美好的大学。虽然在毕业设计的过程中存在许多问题，但通过自己不断的查阅书籍和老师的悉心指导，最后所有困难都迎刃而解。这对于培养我们的自学能力和独立工作能力是非常有帮助的。

6.致谢

我首先向关心帮助和指导我的指导老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！和衷心的感谢！

遇到了PLC的防护以及传感器，一直得到老师的亲切关怀和悉心指导，使我在设计时显得游刃有余。老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘，再一次向他表示衷心的感谢，以及学习、生活上的无私帮助!

在学校的学习生活学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

特别感谢一直关心帮助我成长的室友，是他们陪我一起度过了在大学里的美好时光，并在学习和生活上给予了我很大的帮助。

7.参考文献

1.PLC基础及应用.北京:机械工业出版社.2008

2. 可编程控制器应用系统设计及通信网络技术.北京:人民邮电出版社.2007

3. 可编程控制器应用技术.北京.化学工业出版社.2009