plc機械手實驗報告

時間：2024-09-16 04:41:46 報告我要投稿

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plc機械手實驗報告

　　在現今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優勢可以重復的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累!可為機械手臂的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備，作業的準確性和環境中完成作業的能力。工業機械手機器人的一個重要分支。

plc機械手實驗報告

　　plc機械手實驗報告范文一：

　　1選題背景

　　1.1研究意義，現狀分析及其意義

　　工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。

　　我國現有機器人研究開發和應用工程單位200多家 ,其中從事工業機器人研究和應用的有75家 ,共開發生產各類工業機器人約800臺 ,90%以上用于生產中 ,引進工業機器人做應用工程的約500臺[1]。

　　計算機控制系統是在自動控制技術和計算機技術發展的基礎上產生的。在經濟全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生產率，縮短訂單處理時間等已成為生產企業的不斷追求。為了達到這一目標，它們越來越依賴于新一代的硬件和軟件系統。近年來，由于個人計算機(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的應用迅猛增長。將PC機CPU的高速處理性能和良好的開放性引入到計算機控制領域，形成了基于PC的控制系統。

　　隨著計算機控制技術在機械手應用中的不斷深入，具有獨立控制器、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的通用機械手得到迅速發展[2]。各國大企業工業機械化生產過程不同程度實現了工業機械手的計算機控制。

　　1.2 機械手、計算機的發展趨勢及其優點

　　工業機械手的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。它能部分地代替人工操作;能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸;能制作必要的機具進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率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。

　　廣泛采用工業機械手，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。

　　自從1981年IBM公司進入微型計算機領域推出了IBM-PC以后，計算機的發展開創了一個新的時代——微型計算機時代。微型計算機的迅速、大規模的應用與普及，使計算機真正廣泛地應用于工業、農業、科學技術以及社會生活與日常生活的各個方面[3]。計算機以其更高標準平臺的網絡、高級的控制算法、廣泛的數據庫操作、在一個平臺上的HMI功能、集成自定義的控制程序、復雜的過程模擬、很高的CPU處理速度、內存需求超出PLC規格、多重協議接口、無線存取、控制規律靈活多樣，改動方便、控制精度高，抑制擾動能力強，能實現最優控制、能夠實現數據統計和工況顯示，控制效率高、控制與管理一體化，進一步提高自動化程度等諸多優點使得行業對計算機的接受程度越來越高。

　　2總體方案論證

　　2.1 機械系統

　　本設計以實驗室的5自由度機械手臂為模型進行設計。

　　現對其機械系統結構敘述如下：

　　5自由度分別對應于轉動基座、臂、肘、腕、鉗轉動五個轉軸，其中轉動基座轉軸可在±180°范圍內轉動，臂轉軸可在±45°范圍內轉動，肘轉軸可在±60°范圍內轉動，腕轉軸可在±90°范圍內轉動，鉗轉軸可在±180°范圍內轉動，鉗口可在3.5厘米~8.5厘米的范圍內開合。機械手的結構如圖2-1 機械手結構簡圖

　　各轉動關節采用步進電機作為動力源，步進電機不直接驅動轉軸，而是安裝在轉軸旁邊，利用差動變速原理使用適當比例的齒輪基于帶齒皮帶傳動，有效增大機械手臂扭矩從而增強機械手臂的負載能力。

　　2.2 驅動系統

　　工業機械手的驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動，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的發展，電氣驅動開始廣泛應用于工業機械手制造，采用電氣驅動的機械手最大優勢是便于實現數字控制，其中采用步進電機作為驅動機構的機械手占有相當比重;

　　步進電機和普通電機的區別主要就在于其脈沖驅動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現代的數字控制技術相結合。不過步進電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統的閉環控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進電機，步進電機可以發揮其結構簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當的時候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美，步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機在很多領域得到應用。

　　所以本設計的機械手驅動部分采用步進電機驅動。

　　底座安裝有4個開關電源，4個步進電機驅動器，其中包括轉動基座、臂、腕、鉗旋轉4轉動軸的步進電機驅動器。臂腔內有肘、鉗開合2個步進電機驅動器，轉動基座、臂、肘、腕、鉗旋轉決定了機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械鉗，可對物體進行拾放。其中腕、鉗轉動共用一個開關電源，肘、鉗開合共用一個開關電源。

　　整個系統使用220V 50Hz市電電源。

　　2.3 控制系統

　　控制器是整個系統的核心，其處理能力與整個系統的快速性、穩定性、準確性密切相關。對于控制器的選擇提出兩種方案論證：

　　方案一：采用計算機+板卡的方式對機械手進行控制。

　　優缺點：優點是便于實現生產信息化，設計相對較簡單，可實現很復雜的運動控制，但計算機穩定性程度不夠高，可能出現死機等情況。

　　方案二：控制器采用PLC來控制現場的步進電機。

　　優缺點：優點是生產安全可靠、提高產品質量及產量、控制環境污染、降低工人勞動強度、提高設備的運轉率及勞動生產率。由于PLC有著極大的靈活性，易于模塊化，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍做修改，程序中做簡單補充、修改即可[4]。缺點是使系統設計多了一個環節，增加設計工作量，增加成本。

　　最終方案確立：PLC是以微處理器為核心的數字式、電氣自動控制裝置，其實質是一種工業控制專用PLC。機械手的控制系統的可靠性要求比較高、環境比較惡劣，所以采用方案二。

　　3硬件方案設計

　　3.1 整體方案設計

　　設計方案采用集成了步進電機驅動器包含轉動基座、臂、腕、鉗轉動、鉗開合5自由度步進電機動力源機械手，晶體管輸出型PLC對步進電機輸出脈沖實現機械手運動控制。

　　現場總線采用Profibus-DP通訊方式;其優點在于有國際標準做保證，經實際應用驗證具有普遍性。目前廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等領域。

　　工業控制計算機運行組態通過Profibus-DP網絡對PLC、機械手運行情況進行檢測、監視及控制，并采用OPC接口將系統接口開放方便其它設備連入實現統一監控、管理，利用數據庫軟件與組態軟件的連接將生產數據歸檔供其它部門調用。

　　通過現場上位工業控制計算機、觸摸屏(或控制柜)、遠程廠長計算機三種方式對機械手的運行情況進行組態監控，其中上位工業控制計算機還將完成對現場數據的采集、歸檔供其它部門調用，系統的結構使得系統具有開放的接口可以方便地接入其它支持現場總線的控制終端，實現工廠生產的網絡化、信息化，同時保證各個控制終端互不影響，易維護，尤其是利用角位移傳感器實現了對機械手故障的報警，保證機械手的穩定、安全運行。

　　3.2步進電機驅動器

　　使用、控制步進電機必須由環形脈沖，功率放大等組成的控制系統，其方框圖如圖3-3步進電機驅動過程圖：

　　脈沖信號的產生：

　　脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則越大。

　　信號分配：

　　感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機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：

　　功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流(而樣本上的電流均為靜態電流)。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。

　　為盡量提高電機的動態性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如圖3-4步進電機驅動器連接圖：

　　說明：

　　CP：接脈沖信號(負信號，低電平有效)

　　OPTO：接+5V

　　FREE：脫機，與CPU地線相接，驅動電源不工作

　　DIR：方向控制，與CPU地線相接，電機反轉

　　VCC：直流電源正端

　　GND：直流電源負端

　　A：接電機引出線紅線

　　B：接電機引出線黃線

　　步進電機及其驅動器、開關電源的選型：

　　在本設計中采用的是已有的機械手模型，對其動力源——步進電機的選型主要考慮的方面是電機的尺寸是否能夠安裝到機械手上，在能安裝到機械手上的前提下，盡量選擇大功率電機使機械手帶負載能力增強，結合以上所述選取原則對步進電機及其驅動器進行選型如表

　　表3-1 步進電機及其驅動器的選型

　　根據所使用的電機型號的需求，對開關電源選型如表3-3開關電源的選型：

　　表3-4 開關電源的選型

　　4軟件方案設計

　　4.1 整體方案設計

　　整體編程思路：本設計采用控制柜和計算機兩種方式對機械手進行運動控制，其中控制柜的控制方式是采用按鈕進行點動控制，即在控制柜面板上設置有各關節的控制按鈕各兩個，每個關節的兩個按鈕分別控制該關節的兩個相反方向的運動，按鈕采用自鎖型按鈕，即當按下某個按鈕時，機械手相應關節開始運動，再按一次該按鈕，機械手停止運動，當按下該關節的另一個按鈕時，該關節開始相反方向的運動，再按一次該按鈕，機械手停止運動，要注意的是需要在程序中使兩個按鈕互鎖，避免兩個按鈕同時按下發生程序運行紊亂。

　　同時控制柜上有一個自鎖型按鈕用來切換控制柜控制方式和計算機控制方式，這樣，當計算機發生死機等故障時，按下該按鈕可將控制方式切換為控制柜控制方式。

　　4.2 變量統計

　　根據以上工藝要求，初步統計各種I/O點、V交換區數據統計、中間繼電器統計、狀態位統計分別如表：

　　表4-1 I/O點統計

　　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：

　　結束語

　　本系統以計算機為主完成對機械手的運動監控。機械手的直接控制機構為PLC，當上位機出現死機等故障時不影響整個系統的運行，可通過現場的控制柜進行控制。上位機除了點動控制外還借助于位置傳感器的輸入可進行角度輸入控制機械手的精確定位。同時將機械手的位置信息通過位置傳感器檢測并傳送到PLC的V區并使用這些信息進行實時檢測及數據歸檔，提供對機械手運行情況的歷史紀錄及查詢。

　　在設計中我們使用Profibus-DP通訊協議，方便了以后擴展系統設備及功能，不至造成因擴展需要使整個系統重新設計制作的浪費。

　　存在問題：由于機械手的運動為三維運動，采用上位組態監控時無法做到真正的實時畫面模擬，只能以平面的方式完成對機械手運動的部分控制。

　　建議：采用組態軟件與三維制作軟件結合進行組態監控。

　　plc機械手實驗報告范文二：

　　一、實驗目的：

　　通過對一個三自由度氣動機械手的控制程序的設計，熟悉基于PLC的類似機械手機器人的控制特點，掌握其設計方法，設計思路，為今后工作中PLC的應用打下基礎。

　　二、實驗裝置：

　　隨著生產自動化程度的提高，機械手和機器人已經越來越多的應用到工業生產當中，本實驗是使用PLC控制一部三自由度氣動機械手，這部機械手有4個動作，手抓的抓取和放松，上下移動，前后移動，左右擺動。由4個氣缸分別控制。

　　三、實驗要求：

　　1、熟悉PLC對氣動系統的控制元件—電磁閥的控制方法。

　　2、按照設定的動作順序使機械手動作：

　　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