三自由度工業(yè)用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(總22頁)

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1、浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院畢業(yè)論文 寧波理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 三自由度工業(yè)用機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　　 　　　　 姓 名 XXX 學(xué) 號(hào) 3021142XXX 專業(yè)班級(jí) 10 機(jī)械 指導(dǎo)教師 XX 分 院 成人教育學(xué)院 　 完成日期 2017 年4月X日

2、 摘 要 機(jī)械手是機(jī)器人研究的熱門領(lǐng)域之一，不僅在工業(yè)還在其它行業(yè)都發(fā)揮著越來越大的作用。而且隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的流水線中扮演著越來越重要的作用，現(xiàn)在已成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。 本文在了解機(jī)械手和PLC控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，而選用了三自由度機(jī)械手作為控制對(duì)象進(jìn)行研究。 本文基于控制和計(jì)算機(jī)監(jiān)控的相關(guān)理論，根據(jù)工業(yè)機(jī)械手的控制要求，完成了其運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)以及組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建，對(duì)控制系統(tǒng)的總體構(gòu)造、控制流程以及構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)模塊的功能和控制方式進(jìn)行了研究。 關(guān)鍵詞: 三自由度機(jī)械手；PLC；控制系統(tǒng)；工業(yè)生

3、產(chǎn)  Abstract Robot is one of the hot areas of robot research and is playing an increasingly important role not only in industry but also in other industries. At the same time, with the continuous improvement of industrial production automation, industrial ro

4、bots in the production site of the pipeline plays an increasingly important role, has become an indispensable modern industrial production important link. Based on the research status and development trend of robot and PLC control technology, this paper chooses three-degree-of-freedom manipulator a

5、s the control object. Based on the theory of control and computer monitoring, this paper completes its motion control design and configuration monitoring system construction according to the control requirements of industrial manipulator. The overall structure of the control system, the control flo

6、w and the function and control mode of each module constituting the system Were studied. Keywords: Three degrees of freedom manipulator; PLC; Control System；Industrial production 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 1.引言 1 1.1 研究機(jī)械手的意義 1 1.2 機(jī)械手的組成和分類 2 1.2.1機(jī)械手的組

7、成 2 1.2.2 機(jī)械手的分類 3 1.3 機(jī)械手的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3.1 機(jī)械手的國外研究現(xiàn)狀 3 1.3.2 機(jī)械手的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 2.機(jī)械手控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 5 2.1工業(yè)機(jī)械手的工藝流程 5 2.2工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析 6 2.3工業(yè)機(jī)械手的總體模塊設(shè)計(jì) 6 2.3工業(yè)機(jī)械手的總體模塊概述 7 2.3.1 控制器模塊 8 2.3.2驅(qū)動(dòng)模塊 8 2.3.3 執(zhí)行模塊 8 2.3.4傳感器模塊 8 3.機(jī)械手硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 3.1硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 10 3.2伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.4機(jī)械部件

8、設(shè)計(jì) 12 3.5傳感器設(shè)計(jì) 12 4.PLC控制器的設(shè)計(jì) 14 4.1 PLC 控制器的特點(diǎn) 14 4.2 PLC 控制器的程序設(shè)計(jì) 14 4.2.1 PLC 回原點(diǎn)程序 14 4.2.1 PLC手動(dòng)程序操作示意 15 4.2.2 PLC自動(dòng)程序操作示意 15 參考文獻(xiàn) 17 致謝 18 17 1.引言 1.1 研究機(jī)械手的意義 工業(yè)機(jī)械手（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械手）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它具有的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：首先，它能部分地代替人工操作；其次，它能

9、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卸載；最后，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行輝接和裝配。 伴隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，機(jī)械手在世界范圍內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。因而對(duì)機(jī)械手的控制要求也越來越高，如果采用傳統(tǒng)的繼電器控制方案進(jìn)行控制，勢(shì)必造成系統(tǒng)元件多，接線繁雜、穩(wěn)定性差、故障率高，給工業(yè)生產(chǎn)帶來很多不便。針對(duì)這些問題如果采用性能價(jià)格比高的可編程序控制器（PLC）設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，可使該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性高、故障率低、維修方便，并且可以取得良好的工作效。 Programmale LogicalＣontroller簡(jiǎn)稱為PLC，近年以來PLC逐漸以微處理器作為中央處理單元，不僅具有邏

10、輯控制，還有算數(shù)模擬等功能。 它的工作原理如圖 1-1所示。 圖 1-1 PLC的工作原理 1.2 機(jī)械手的組成和分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手一般由控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)傳感器等部分組成。在其中控制器是機(jī)械手系統(tǒng)的核心，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起控制決策作用，其主要功能是按照程序要求控制各種驅(qū)動(dòng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手按照預(yù)定的動(dòng)作要求完成相應(yīng)的動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)模塊由動(dòng)力源和輔助裝置組成，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源，為工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力來源。目前較為普遍的驅(qū)動(dòng)方式有電力方式驅(qū)動(dòng)、液壓方式驅(qū)動(dòng)、氣壓方式驅(qū)動(dòng)和機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成機(jī)械手的執(zhí)行動(dòng)作，目

11、前機(jī)械手較為常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有手抓、夾鉗和吸盤等；位置檢測(cè)傳感器主要用于檢測(cè)機(jī)械手的位置，并將位置信息實(shí)時(shí)反饋給控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)較為精確的定位。 常用的機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成原理圖如圖 1-2 所示。 圖 1-2 常用的機(jī)械手控制系統(tǒng)的組成原理圖 1.2.2 機(jī)械手的分類 關(guān)于工業(yè)機(jī)械手的分類，在國際上尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)暫時(shí)按驅(qū)動(dòng)方式、手臂坐標(biāo)、使用范圍對(duì)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行分類。 若按照驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類，機(jī)械手可以分為液壓傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、電力傳動(dòng)機(jī)械手、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手等。 1.3 機(jī)械手的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 機(jī)械手的國外研究現(xiàn)狀 美國是機(jī)

12、器人的誕生地，并且每次機(jī)器人的更新?lián)Q代，都是以美國的機(jī)器人產(chǎn)品為導(dǎo)向的，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，目前依然是世界上機(jī)器人技術(shù)最先進(jìn)的國家之一，憑借其全面和先進(jìn)的技術(shù)、良好的適應(yīng)性等特性，美國的機(jī)器人技術(shù)一直處在世界領(lǐng)先水平。 日本一有機(jī)器人王國之稱，其機(jī)器人的數(shù)量和密度都是世界第一的，上世紀(jì)80年代至90年代，日本的機(jī)器人進(jìn)入全盛時(shí)期，之后20世紀(jì)以來，伴隨著亞洲國家對(duì)于機(jī)器人的巨大需求，日本機(jī)器人的發(fā)展重新煥發(fā)生機(jī)，將迎來一個(gè)新的發(fā)展階段。 德國、法國和英國是歐洲三個(gè)最大的機(jī)器人市場(chǎng)，目前德國的機(jī)器人數(shù)量?jī)H次于日本，居世界第二位。德、法、英的工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，政府的引導(dǎo)和促進(jìn)發(fā)揮了重要作用。

13、 1.3.2 機(jī)械手的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國現(xiàn)有的機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)單位已經(jīng)超過200余家，其中，從事工業(yè)機(jī)器人研究及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的超過80家。目前這些科研機(jī)構(gòu)和單位已經(jīng)能夠基本掌握控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)造原理及實(shí)現(xiàn)、軟件算法設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等，開發(fā)出的工業(yè)機(jī)器人中有90%以上用于生產(chǎn)實(shí)際之中，根據(jù)發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級(jí)的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，到2018年，我國機(jī)器人市場(chǎng)容量將達(dá)幾百萬臺(tái)套。 雖然我國對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量有剛性的需求，但是國內(nèi)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人無論是在產(chǎn)品的性能、技術(shù)水平以及規(guī)模產(chǎn)業(yè)等方面與國外還存在著較大的差距。究其原因，一方面是因?yàn)槲覈诎l(fā)展工業(yè)機(jī)器人過程

14、中，忽略了與企業(yè)相結(jié)合，導(dǎo)致很難結(jié)合實(shí)際進(jìn)行研發(fā)，實(shí)用性方面較差；另一方面是我國關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的研究方法和研究策略，一直走的是引進(jìn)和學(xué)習(xí)外國的技術(shù)，然后在此基礎(chǔ)上做開發(fā)和研究，這樣就造成自主創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)新意識(shí)的缺乏，很大程度上制約了我國工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。  2.機(jī)械手控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本章主要闡明了機(jī)械手控制系統(tǒng)的工藝流程，由此提出了大體的設(shè)計(jì)方案，且對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊作了一般的概述。采用組件化的思想進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，發(fā)揮各個(gè)模塊的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效和集成化程度高的系統(tǒng)建立，對(duì)工程人員實(shí)現(xiàn)較優(yōu)化的控制有重要意義。 2.1工業(yè)機(jī)械手的工藝流程 本設(shè)計(jì)耍求在流水線、空位和導(dǎo)軌

15、之間設(shè)置一個(gè)機(jī)械手，用以完成工件在三個(gè)工位之間的空間位置轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，機(jī)械手能夠以手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式完成工件的搬移工作。 對(duì)于手動(dòng)控制方式，按照點(diǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行，手動(dòng)控制按鈕有手動(dòng)右移、手動(dòng)左移、手動(dòng)前進(jìn)、手動(dòng)后退、手動(dòng)上升、手動(dòng)下降、手動(dòng)吸附和手動(dòng)松開，按下相應(yīng)的按鈕，機(jī)械手分別執(zhí)行機(jī)械手臂軸右移、軸左移、軸前進(jìn)、軸后退、軸上升、軸下降、吸盤吸附、吸盤松開動(dòng)作。 其主要的功能實(shí)現(xiàn)示意圖應(yīng)該如圖 2-1 所示： 圖 2-1 機(jī)械手控制系統(tǒng)原理圖 圖 2-2 機(jī)械手工作流程示意圖 如圖2-2 所示對(duì)于機(jī)械手而言能夠讓手臂按照 X軸取樣品，通過轉(zhuǎn)杠來旋轉(zhuǎn)位置，在Y 軸上

16、平移移走樣品，最后控制手臂釋放樣品。 2.2工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析 據(jù)流水線的具體資料分析我們可以機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的分析設(shè)計(jì)： 1、 最大工作半徑：1600mm； 2、 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 手臂最大中心高度：900mm； 伸縮行程：800mm；伸縮速度：小于200mm每秒； 升降行程：300mm；升降速度：小于60mm每秒； 擺動(dòng)范圍 0~180°；擺動(dòng)速度：小于70°每秒； 3、 定位精度：-3mm ~ +3mm； 4、 驅(qū)動(dòng)方式：氣壓（中、低壓方式） 5、 手指加持范圍：50 ~ 100mm； 6、 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍：0 ~ 180

17、76;；回轉(zhuǎn)速度：小于90°每秒。 2.3工業(yè)機(jī)械手的總體模塊設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)分成各個(gè)不同的組成模塊，通過有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)大致由以下幾個(gè)部分組成：上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行部件模塊、傳感器模塊等。其中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控功能；運(yùn)動(dòng)控制模塊主耍用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)程序的控制要求以及發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行部件的控制；驅(qū)動(dòng)模塊為各執(zhí)行部件提供動(dòng)力；執(zhí)行模塊主耍是為完成作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。各模塊間的相互關(guān)系如圖 2-3所示。 圖 2-3 機(jī)械手各模塊示意圖 系統(tǒng)由上述幾個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)的

18、控制任務(wù)?？刂泼姘逖b有自動(dòng)手動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)換開關(guān)、手動(dòng)控制按鈕、停止等按鈕。系統(tǒng)的控制核心是可編程控制器，外部信號(hào)和控制面板上的幵關(guān)、按鈕等通過控制電路接入可編程控制器的輸入端，通過控制器內(nèi)的控制程序輸出控制結(jié)果，做出相應(yīng)的輸出響應(yīng)，經(jīng)輸出控制電路驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將工件取至需要放置的地方；過程中，機(jī)械手的空間位置狀況信號(hào)都通過組態(tài)中的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，通過構(gòu)建的畫面和動(dòng)畫連接，實(shí)時(shí)反映機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀況。 2.3工業(yè)機(jī)械手的總體模塊概述 2.3.1 控制器模塊 運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，其在系統(tǒng)控制中的任務(wù)是產(chǎn)生控制命令和使系統(tǒng)輸

19、出信號(hào)跟隨參考位置。本設(shè)計(jì)采用的控制器是三菱公司PLC。PLC是以微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，具有可靠性高、運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)量大、功能強(qiáng)勁、易于和計(jì)算機(jī)相連接等特點(diǎn)，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱之一，現(xiàn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到極廣泛應(yīng)用。 PLC具有很高的可靠性，這歸功與其采用的電路設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)制造工藝；還能夠自我檢測(cè)系統(tǒng)的硬件故障；在軟件設(shè)計(jì)中，可以編寫相關(guān)的程序進(jìn)行故障診斷，在硬件和軟件兩個(gè)方面保證了的高可靠性?，F(xiàn)代在數(shù)據(jù)計(jì)算能力方面比之前大大提高，能控制的系統(tǒng)也越來越復(fù)雜；將控制系統(tǒng)的外部接線用程序的方式表達(dá)出來，使得系統(tǒng)的硬件維護(hù)工作量減少很多，更重要的是若需要改變某一工

20、藝流程，只需改變內(nèi)部的控制程序即可實(shí)現(xiàn)—。 2.3.2驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)模塊是指驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)組件。驅(qū)動(dòng)器是將運(yùn)動(dòng)控制器輸出的小信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的部件，對(duì)于不同的伺服機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等類型。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用作為控制器，通常驅(qū)動(dòng)器為變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)環(huán)形驅(qū)動(dòng)器等, 本設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 2.3.3 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊的主要功能是驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊包括伺服電機(jī)和氣缸。交流伺服電機(jī)包括永磁同步電機(jī)和感應(yīng)式異步電機(jī)，交流伺服電機(jī)具有加減速時(shí)間短、精度高、反應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)、可靠性高、效率高、外形尺寸小和質(zhì)量輕等特點(diǎn)。執(zhí)行部件和被控對(duì)象相聯(lián)系的動(dòng)

21、力學(xué)特性對(duì)于系統(tǒng)的性能影響很大，也在很大程度上決定了被控對(duì)象是否能夠達(dá)到預(yù)期的控制要求，所以，執(zhí)行模塊是系統(tǒng)性能的展現(xiàn)方式。 2.3.4傳感器模塊 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器獲取系統(tǒng)中的幾何量和物理量的信息，再將這些信息提供給運(yùn)動(dòng)控制器，為實(shí)現(xiàn)控制策略提供依據(jù)。 檢測(cè)裝置向運(yùn)動(dòng)控制器反映系統(tǒng)狀況，同時(shí)也可以在閉環(huán)或半閉環(huán)的系統(tǒng)中形成反饋回路，將指定的輸出量反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，控制器再根據(jù)此信息作出控制決策。檢測(cè)裝置主要用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，前者有如位置、速度或者加速度等信息，后者有如電壓或者電流信號(hào)等。沒有信息反饋的控制是盲目的，而錯(cuò)誤的信息反饋也會(huì)導(dǎo)致控制的失誤，檢測(cè)裝置的基本特性和

22、重要指標(biāo)是準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。  3.機(jī)械手硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本章主要研究系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，包括控制電路的設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械部件的選型等，輸出控制結(jié)果，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和氣缸的動(dòng)作等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。 3.1硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)研究的機(jī)械手屬于直角坐標(biāo)式的工業(yè)機(jī)械手，具有三個(gè)自有度，主要由機(jī)座、導(dǎo)軌和以及各個(gè)方向上的機(jī)械手臂組成，手臂主耍用以完成工作部件的位移。機(jī)械手的三個(gè)自由度為X、Y、Z個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，其最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)吸盤來完成。執(zhí)行部件和機(jī)械部件包括、自由度上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滾珠絲杠，自由度上的控制氣缸，以及控制吸取工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)

23、吸盤，結(jié)構(gòu)如圖 3-1所示。 圖 3-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手X方向上的移動(dòng)由安裝在X軸基座1上的伺服電機(jī)2驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)2通過聯(lián)軸器與絲杠3相連，Y軸基座固5聯(lián)到與絲杠3配合的螺母上，從而電機(jī)2驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)Y軸基座5沿移基座X方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌4安裝在X軸基座1上，滑塊安裝在Y軸基座5上。 Y軸方向的移動(dòng)由安裝在Y軸基座5上的軸伺服電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)6通過聯(lián)軸器與絲杠7相連，架子9固聯(lián)到與絲杠7配合的螺母上，從而電機(jī)6驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)Z軸導(dǎo)軌沿Y基座方向移動(dòng)，導(dǎo)軌8安裝在基座5上，滑塊安裝在架子9上。 3.2伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)是指用來控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)，使其能自動(dòng)地、

24、精確地、連續(xù)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律，也被稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)分支，伴隨著自動(dòng)控制理論、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服技術(shù)得以迅速地發(fā)展，涉及到眾多領(lǐng)域。 根據(jù)伺服系統(tǒng)的分類，本控制系統(tǒng)屬于交流伺服系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)。本伺服運(yùn)動(dòng)控制包括的硬件結(jié)構(gòu)有：三菱PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)，伺服編碼器等。脈沖輸入方式有集電極開路方式和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式兩種，為了方便的實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩部電機(jī)的控制，本設(shè)計(jì)采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 總體框架圖如圖3-1 所示： 圖 3-1 伺服系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 3.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件和輔

25、助元件組成，由原動(dòng)機(jī)機(jī)獲得氣源，經(jīng)空氣壓縮機(jī)、后冷卻器、油水分離器和氣罐，得到清潔、干燥的空氣，經(jīng)過控制裝置和執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)壓力能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。 在本設(shè)計(jì)中，軸的上下運(yùn)動(dòng)選用三位五通電磁闊作為氣動(dòng)系統(tǒng)的控制裝置，氣缸作為執(zhí)行裝置。三位五通電磁閩是指電磁闊有三個(gè)工位和五個(gè)通口。控制三位五通電磁需要兩個(gè)線圈，當(dāng)兩個(gè)線圈都未得電時(shí)，此時(shí)的閥芯有一個(gè)工位，當(dāng)?shù)秒姇r(shí)，閥芯到達(dá)第二個(gè)工位，當(dāng)?shù)秒姇r(shí)，閥芯到達(dá)第三個(gè)工位；五個(gè)通口是指連接氣源的進(jìn)氣口，連接氣缸的氣缸口和兩個(gè)排氣口。 執(zhí)行裝置氣缸，在控制裝置電磁閥的控制之下，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)，氣動(dòng)控制如圖 3

26、-2 所示： 圖 3-2氣動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 3.4機(jī)械部件設(shè)計(jì) 本機(jī)械手的機(jī)械部件主要包含有滾珠絲杠副和導(dǎo)向支撐部件。滾珠絲杠副是由滾珠絲杠、滾珠、滾珠螺母和相關(guān)循環(huán)零件組成的以圓柱螺旋線為運(yùn)動(dòng)軌跡的傳動(dòng)部件。主耍用來將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，在火導(dǎo)程的情形下將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成冋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、印刷包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、制藥機(jī)械、玻璃機(jī)械以及其他需耍精密路徑定位的領(lǐng)域。 選擇的導(dǎo)向支撐部件需要有較高的導(dǎo)向精度，導(dǎo)軌副的基本性能指標(biāo)即是導(dǎo)向精度，這是保證機(jī)械手的各個(gè)手臂能夠精確運(yùn)動(dòng)的保證；另外，要考量使用壽命、安裝工藝等系列問題，本設(shè)計(jì)擬采用滾珠直線導(dǎo)軌

27、。 3.5傳感器設(shè)計(jì) 傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件和裝置。在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中使用的傳感器是將某種運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。 本系統(tǒng)中用到的主要傳感器有光電到位開關(guān)和光電編碼器。光電到位開關(guān)即光電傳感器，是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器，它利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋和反射，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化，然后借助光元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。一般傳感器選用的波長接近可見光的紅外線光波型。 光感器的內(nèi)部電路圖如圖 3-3 所示； 圖 3-3氣動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

28、 在本系統(tǒng)控制中，光電編碼器安裝在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上，由丁檢測(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，將轉(zhuǎn)角信號(hào)回傳給伺服放大器，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。  4. PLC控制器的設(shè)計(jì) 4.1 PLC 控制器的特點(diǎn) (1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。這主要體現(xiàn)在內(nèi)部的電路技術(shù)和制作工藝上，電路的設(shè)計(jì)采用了集成電路技術(shù)并依照極為嚴(yán)格的制作工藝進(jìn)行電路的生產(chǎn)，并綜合了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，使得具有極高的可靠性；另外還帶有硬件故障自檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障可以及時(shí)地進(jìn)行報(bào)警；此外，還可以在應(yīng)用軟件中編寫外圍設(shè)備的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除了之外的電路和設(shè)備也能獲得故障自診斷保護(hù)功能，這些技術(shù)的采用保證了的高可靠性和強(qiáng)干擾能力。

29、(2) 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各種型號(hào)的產(chǎn)品都發(fā)展比較成熟。 （3）易學(xué)易用，易于為工程人員接受。它的接口電路簡(jiǎn)單，編程語言中的梯形圖語言使用的元件符號(hào)，與繼電器控制電路和結(jié)構(gòu)方式非常相似，梯形圖編程語言的開關(guān)量邏輯控制指令可以通過編寫控制程序方便地實(shí)現(xiàn)后者的控制功能，為不熟悉或者很少使用電子電路的工程人員從事工業(yè)控制帶來了極大的方便。 4.2 PLC 控制器的程序設(shè)計(jì) 4.2.1 PLC 回原點(diǎn)程序 系統(tǒng)啟動(dòng)后都要進(jìn)行回原點(diǎn)操作，即按下啟動(dòng)按鈕后，程序進(jìn)行自動(dòng)搜索 原點(diǎn)，程序有原點(diǎn)到位顯示，若不顯示原點(diǎn)則進(jìn)行手動(dòng)返回。系統(tǒng)在初始化執(zhí)行回原點(diǎn)程序后，機(jī)械手停

30、在原點(diǎn)。 4.2.1 PLC手動(dòng)程序操作示意 圖 4-2 手動(dòng)操作構(gòu)成示意圖 手動(dòng)運(yùn)行方式下，按下控制面板上的手動(dòng)控制按鈕，信號(hào)經(jīng)前端電路輸入至的輸入端，經(jīng)程序編譯后，根據(jù)輸出結(jié)果控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 4.2.2 PLC自動(dòng)程序操作示意 圖 4-3自動(dòng)操作構(gòu)成示意圖 自動(dòng)操作程序是指系統(tǒng)從初始步開始按照周期反復(fù)地連續(xù)工作。根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作耍求，先確定自動(dòng)控制的順序功能圖，再根據(jù)順序功能圖進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制程序的詳細(xì)動(dòng)作時(shí)序圖如上4-3所示。  參考文獻(xiàn) [1] 李瑞峰中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].航空制造技術(shù),2014(9) [2] 廉立靜工業(yè)

31、機(jī)器人在汽車制造的重要作用[J].汽車零部件,2010 [3] 顧翔華中囯汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].汽車零部件,2011 [4] 顧震宇全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].機(jī)電一體化,2001 [5] 宋慧欣機(jī)器人是制造業(yè)迎接挑戰(zhàn)的關(guān)鍵[J].自動(dòng)化博覽,2011 [6] 錢顯毅，唐國興傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009 [7] 郭劍暉. 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南昌大學(xué), 2012. [8] 徐玲. 基于MCGS組態(tài)軟件氣動(dòng)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 伺服控制, 2012(1):51-53. [9] Saunders C M, Larman

32、 M G, Parrington J, et al. PLC zeta: a sperm-specific trigger of Ca(2+) oscillations in eggs and embryo development.[J]. Development, 2002, 129(15):3533. [10] Abdallah S, Nijmeh S. Two axes sun tracking system with PLC control[J]. Energy Conversion & Management, 2004, 45(11–12):1931-1939.  致

33、謝 本論文是在導(dǎo)師XX教授悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！ 在研究過程中，特別感謝XX師兄在實(shí)驗(yàn)的過程中給予我的支持和教導(dǎo)，從師兄這學(xué)會(huì)了很多思考方法和知識(shí)，對(duì)我的畢業(yè)論文起到了重要的作用！ 由于本人水平有限，在論文中難免存在不足，歡迎論文評(píng)審專家批評(píng)指正。在此，我謹(jǐn)向?qū)?、論文評(píng)審專家、所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們表示最誠摯的感謝。