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plc機(jī)械手實(shí)驗(yàn)報(bào)告
在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機(jī)械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)的做同一動作在機(jī)械正常情況下永遠(yuǎn)也不會覺得累!可為機(jī)械手臂的應(yīng)用也將會越來越廣泛,機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機(jī)械手機(jī)器人的一個(gè)重要分支。
plc機(jī)械手實(shí)驗(yàn)報(bào)告范文一：
1選題背景
1.1研究意義，現(xiàn)狀分析及其意義
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
我國現(xiàn)有機(jī)器人研究開發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家 ,其中從事工業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用的有75家 ,共開發(fā)生產(chǎn)各類工業(yè)機(jī)器人約800臺 ,90%以上用于生產(chǎn)中 ,引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約500臺[1]。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。在經(jīng)濟(jì)全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生產(chǎn)率，縮短訂單處理時(shí)間等已成為生產(chǎn)企業(yè)的不斷追求。為了達(dá)到這一目標(biāo)，它們越來越依賴于新一代的硬件和軟件系統(tǒng)。近年來，由于個(gè)人計(jì)算機(jī)(簡稱PC)的高速率和對硬件與軟件的幾乎無限制的開放，使得PC的應(yīng)用迅猛增長。將PC機(jī)CPU的高速處理性能和良好的開放性引入到計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，形成了基于PC的控制系統(tǒng)。
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在機(jī)械手應(yīng)用中的不斷深入，具有獨(dú)立控制器、程序可變、動作靈活、定位精度高、適用于可變換品種中小批量自動化生產(chǎn)的通用機(jī)械手得到迅速發(fā)展[2]。各國大企業(yè)工業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)過程不同程度實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制。
1.2 機(jī)械手、計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢及其優(yōu)點(diǎn)
工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。它能部分地代替人工操作;能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸;能制作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
廣泛采用工業(yè)機(jī)械手，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。
自從1981年IBM公司進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域推出了IBM-PC以后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展開創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)代——微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。微型計(jì)算機(jī)的迅速、大規(guī)模的應(yīng)用與普及，使計(jì)算機(jī)真正廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及社會生活與日常生活的各個(gè)方面[3]。計(jì)算機(jī)以其更高標(biāo)準(zhǔn)平臺的網(wǎng)絡(luò)、高級的控制算法、廣泛的數(shù)據(jù)庫操作、在一個(gè)平臺上的HMI功能、集成自定義的控制程序、復(fù)雜的過程模擬、很高的CPU處理速度、內(nèi)存需求超出PLC規(guī)格、多重協(xié)議接口、無線存取、控制規(guī)律靈活多樣，改動方便、控制精度高，抑制擾動能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高、控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動化程度等諸多優(yōu)點(diǎn)使得行業(yè)對計(jì)算機(jī)的接受程度越來越高。
2總體方案論證
2.1 機(jī)械系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)室的5自由度機(jī)械手臂為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。
現(xiàn)對其機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)敘述如下：
5自由度分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)動基座、臂、肘、腕、鉗轉(zhuǎn)動五個(gè)轉(zhuǎn)軸，其中轉(zhuǎn)動基座轉(zhuǎn)軸可在±180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，臂轉(zhuǎn)軸可在±45°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，肘轉(zhuǎn)軸可在±60°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，腕轉(zhuǎn)軸可在±90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，鉗轉(zhuǎn)軸可在±180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，鉗口可在3.5厘米~8.5厘米的范圍內(nèi)開合。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖
各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)作為動力源，步進(jìn)電機(jī)不直接驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，而是安裝在轉(zhuǎn)軸旁邊，利用差動變速原理使用適當(dāng)比例的齒輪基于帶齒皮帶傳動，有效增大機(jī)械手臂扭矩從而增強(qiáng)機(jī)械手臂的負(fù)載能力。
2.2 驅(qū)動系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動，以往以液壓、氣動用的最多，占90%以上，但隨著近幾年電子技術(shù)的發(fā)展，電氣驅(qū)動開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械手制造，采用電氣驅(qū)動的機(jī)械手最大優(yōu)勢是便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，其中采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械手占有相當(dāng)比重;
步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機(jī)。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。使用恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，甚至可以和直流伺服電動機(jī)性能相媲美，步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
所以本設(shè)計(jì)的機(jī)械手驅(qū)動部分采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
底座安裝有4個(gè)開關(guān)電源，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其中包括轉(zhuǎn)動基座、臂、腕、鉗旋轉(zhuǎn)4轉(zhuǎn)動軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。臂腔內(nèi)有肘、鉗開合2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動基座、臂、肘、腕、鉗旋轉(zhuǎn)決定了機(jī)械手的可操作角度和范圍。手臂的終端配備可靈活張合的機(jī)械鉗，可對物體進(jìn)行拾放。其中腕、鉗轉(zhuǎn)動共用一個(gè)開關(guān)電源，肘、鉗開合共用一個(gè)開關(guān)電源。
整個(gè)系統(tǒng)使用220V 50Hz市電電源。
2.3 控制系統(tǒng)
控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其處理能力與整個(gè)系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性密切相關(guān)。對于控制器的選擇提出兩種方案論證：
方案一：采用計(jì)算機(jī)+板卡的方式對機(jī)械手進(jìn)行控制。
優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息化，設(shè)計(jì)相對較簡單，可實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的運(yùn)動控制，但計(jì)算機(jī)穩(wěn)定性程度不夠高，可能出現(xiàn)死機(jī)等情況。
方案二：控制器采用PLC來控制現(xiàn)場的步進(jìn)電機(jī)。
優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)安全可靠、提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量、控制環(huán)境污染、降低工人勞動強(qiáng)度、提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率及勞動生產(chǎn)率。由于PLC有著極大的靈活性，易于模塊化，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對I/O點(diǎn)的接線稍做修改，程序中做簡單補(bǔ)充、修改即可[4]。缺點(diǎn)是使系統(tǒng)設(shè)計(jì)多了一個(gè)環(huán)節(jié)，增加設(shè)計(jì)工作量，增加成本。
最終方案確立：PLC是以微處理器為核心的數(shù)字式、電氣自動控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制專用PLC。機(jī)械手的控制系統(tǒng)的可靠性要求比較高、環(huán)境比較惡劣，所以采用方案二。
3硬件方案設(shè)計(jì)
3.1 整體方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)方案采用集成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器包含轉(zhuǎn)動基座、臂、腕、鉗轉(zhuǎn)動、鉗開合5自由度步進(jìn)電機(jī)動力源機(jī)械手，晶體管輸出型PLC對步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動控制。
現(xiàn)場總線采用Profibus-DP通訊方式;其優(yōu)點(diǎn)在于有國際標(biāo)準(zhǔn)做保證，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域。
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行組態(tài)通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)對PLC、機(jī)械手運(yùn)行情況進(jìn)行檢測、監(jiān)視及控制，并采用OPC接口將系統(tǒng)接口開放方便其它設(shè)備連入實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、管理，利用數(shù)據(jù)庫軟件與組態(tài)軟件的連接將生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔供其它部門調(diào)用。
通過現(xiàn)場上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏(或控制柜)、遠(yuǎn)程廠長計(jì)算機(jī)三種方式對機(jī)械手的運(yùn)行情況進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，其中上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)還將完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、歸檔供其它部門調(diào)用，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有開放的接口可以方便地接入其它支持現(xiàn)場總線的控制終端，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化，同時(shí)保證各個(gè)控制終端互不影響，易維護(hù)，尤其是利用角位移傳感器實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械手故障的報(bào)警，保證機(jī)械手的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。
3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器
使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖3-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動過程圖：
脈沖信號的產(chǎn)生：
脈沖信號一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。
信號分配：
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度;二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機(jī)工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度;四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度)。
功率放大：
功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流(而樣本上的電流均為靜態(tài)電流)。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。
為盡量提高電機(jī)的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源。二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖如圖3-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接圖：
說明：
CP：接脈沖信號(負(fù)信號，低電平有效)
OPTO：接+5V
FREE：脫機(jī)，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作
DIR：方向控制，與CPU地線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn)
VCC：直流電源正端
GND：直流電源負(fù)端
A：接電機(jī)引出線紅線
B：接電機(jī)引出線黃線
步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、開關(guān)電源的選型：
在本設(shè)計(jì)中采用的是已有的機(jī)械手模型，對其動力源——步進(jìn)電機(jī)的選型主要考慮的方面是電機(jī)的尺寸是否能夠安裝到機(jī)械手上，在能安裝到機(jī)械手上的前提下，盡量選擇大功率電機(jī)使機(jī)械手帶負(fù)載能力增強(qiáng)，結(jié)合以上所述選取原則對步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器進(jìn)行選型如表
表3-1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器的選型
根據(jù)所使用的電機(jī)型號的需求，對開關(guān)電源選型如表3-3開關(guān)電源的選型：
表3-4 開關(guān)電源的選型
4軟件方案設(shè)計(jì)
4.1 整體方案設(shè)計(jì)
整體編程思路：本設(shè)計(jì)采用控制柜和計(jì)算機(jī)兩種方式對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動控制，其中控制柜的控制方式是采用按鈕進(jìn)行點(diǎn)動控制，即在控制柜面板上設(shè)置有各關(guān)節(jié)的控制按鈕各兩個(gè)，每個(gè)關(guān)節(jié)的兩個(gè)按鈕分別控制該關(guān)節(jié)的兩個(gè)相反方向的運(yùn)動，按鈕采用自鎖型按鈕，即當(dāng)按下某個(gè)按鈕時(shí)，機(jī)械手相應(yīng)關(guān)節(jié)開始運(yùn)動，再按一次該按鈕，機(jī)械手停止運(yùn)動，當(dāng)按下該關(guān)節(jié)的另一個(gè)按鈕時(shí)，該關(guān)節(jié)開始相反方向的運(yùn)動，再按一次該按鈕，機(jī)械手停止運(yùn)動，要注意的是需要在程序中使兩個(gè)按鈕互鎖，避免兩個(gè)按鈕同時(shí)按下發(fā)生程序運(yùn)行紊亂。
同時(shí)控制柜上有一個(gè)自鎖型按鈕用來切換控制柜控制方式和計(jì)算機(jī)控制方式，這樣，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生死機(jī)等故障時(shí)，按下該按鈕可將控制方式切換為控制柜控制方式。
4.2 變量統(tǒng)計(jì)
根據(jù)以上工藝要求，初步統(tǒng)計(jì)各種I/O點(diǎn)、V交換區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、中間繼電器統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)位統(tǒng)計(jì)分別如表：
表4-1 I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)
4.3 PLC程序編寫
程序流程圖如圖4-1程序流程圖：
SHAPE \* MERGEFORMAT
圖4-1 程序流程圖
MELSOFT系列GX DEVELOPMENT程序的編寫：
1:大腰的程序
2：爪的程序
3：腕的程序
4：自動程序：
結(jié)束語
本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為主完成對機(jī)械手的運(yùn)動監(jiān)控。機(jī)械手的直接控制機(jī)構(gòu)為PLC，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)死機(jī)等故障時(shí)不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可通過現(xiàn)場的控制柜進(jìn)行控制。上位機(jī)除了點(diǎn)動控制外還借助于位置傳感器的輸入可進(jìn)行角度輸入控制機(jī)械手的精確定位。同時(shí)將機(jī)械手的位置信息通過位置傳感器檢測并傳送到PLC的V區(qū)并使用這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測及數(shù)據(jù)歸檔，提供對機(jī)械手運(yùn)行情況的歷史紀(jì)錄及查詢。
在設(shè)計(jì)中我們使用Profibus-DP通訊協(xié)議，方便了以后擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)備及功能，不至造成因擴(kuò)展需要使整個(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)制作的浪費(fèi)。
存在問題：由于機(jī)械手的運(yùn)動為三維運(yùn)動，采用上位組態(tài)監(jiān)控時(shí)無法做到真正的實(shí)時(shí)畫面模擬，只能以平面的方式完成對機(jī)械手運(yùn)動的部分控制。
建議：采用組態(tài)軟件與三維制作軟件結(jié)合進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控。
plc機(jī)械手實(shí)驗(yàn)報(bào)告范文二：
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>
通過對一個(gè)三自由度氣動機(jī)械手的控制程序的設(shè)計(jì)，熟悉基于PLC的類似機(jī)械手機(jī)器人的控制特點(diǎn)，掌握其設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)思路，為今后工作中PLC的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
二、實(shí)驗(yàn)裝置：
隨著生產(chǎn)自動化程度的提高，機(jī)械手和機(jī)器人已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，本實(shí)驗(yàn)是使用PLC控制一部三自由度氣動機(jī)械手，這部機(jī)械手有4個(gè)動作，手抓的抓取和放松，上下移動，前后移動，左右擺動。由4個(gè)氣缸分別控制。
三、實(shí)驗(yàn)要求：
1、熟悉PLC對氣動系統(tǒng)的控制元件—電磁閥的控制方法。
2、按照設(shè)定的動作順序使機(jī)械手動作：
手抓抓取—上移—前移—右擺—下移—手抓的放松—上移—左擺—后移—下移—手抓的抓取—循環(huán)
節(jié)拍的控制使用時(shí)間原則，每個(gè)節(jié)拍為5秒。
四、實(shí)驗(yàn)過程：
1、熟悉機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。
2、畫出氣動系統(tǒng)原理圖。
3、氣動系統(tǒng)接線。
4、PLC控制程序設(shè)計(jì)。
5、控制系統(tǒng)接線并調(diào)試。
五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：
1、整理出PLC控制程序梯形圖。
2、總結(jié)程序編寫和調(diào)試中的經(jīng)驗(yàn)和體會。
改變動作順序和動作節(jié)拍修改程序并調(diào)試成功。
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