【三自由度工业用机械手控制系统设计】 三自由度机械手

毕业设计（论文）

题目三自由度工业用机械手控制系统设计

姓名 XXX

学号 3021142XXX

专业班级 10 机械

指导教师 XX

分院成人教育学院

完成日期 2017 年4月X 日

宁波理工学院

摘要

机械手是机器人研究的热门领域之一，不仅在工业还在其它行业都发挥着越来越大的作用。而且随着工业生产自动化程度的不断提高，工业机械手在生产现场的流水线中扮演着越来越重要的作用，现在已成为现代化工业生产中不可缺少的重要环节。

本文在了解机械手和PLC控制技术的国内外研究现状及发展趋势基础上，而选用了三自由度机械手作为控制对象进行研究。

本文基于控制和计算机监控的相关理论，根据工业机械手的控制要求，完成了其运动控制设计以及组态监控系统构建，对控制系统的总体构造、控制流程以及构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究。

关键词:三自由度机械手；PLC；控制系统；工业生产

A b s t r a c t

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 robots 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 as 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 flow 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

目录

摘要............................................................................................................................. I I Abstract.................................................................................................................... IV 目录............................................................................................................................ V 1.引言.. (1)

1.1 研究机械手的意义 (1)

1.2 机械手的组成和分类 (2)

1.2.1机械手的组成 (2)

1.2.2 机械手的分类 (2)

1.3 机械手的国内外研究现状 (2)

1.3.1 机械手的国外研究现状 (2)

1.3.2 机械手的国内研究现状 (3)

2.机械手控制系统总体设计方案 (4)

2.1工业机械手的工艺流程 (4)

2.2工业机械手的运动参数分析 (5)

2.3工业机械手的总体模块设计 (5)

2.3工业机械手的总体模块概述 (6)

2.3.1 控制器模块 (7)

2.3.2驱动模块 (7)

2.3.3 执行模块 (7)

2.3.4传感器模块 (7)

3.机械手硬件系统的设计 (9)

3.1硬件系统的结构 (9)

3.2伺服控制系统设计 (10)

3.3气动控制系统设计 (10)

3.4机械部件设计 (11)

3.5传感器设计 (11)

4.PLC控制器的设计 (13)

4.1 PLC 控制器的特点 (13)

4.2 PLC 控制器的程序设计 (13)

4.2.1 PLC 回原点程序 (13)

4.2.1 PLC手动程序操作示意 (14)

4.2.2 PLC自动程序操作示意 (14)

参考文献 (16)

致谢 (17)

1.引言

1.1 研究机械手的意义

工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已经成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有的积极作用正日益为人们所认识：首先，它能部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和卸载；最后，它能操作必要的机具进行辉接和装配。

伴随着现代工业生产的迅速发展，机械手在世界范围内得以广泛应用。因而对机械手的控制要求也越来越高，如果采用传统的继电器控制方案进行控制，势必造成系统元件多，接线繁杂、稳定性差、故障率高，给工业生产带来很多不便。针对这些问题如果采用性能价格比高的可编程序控制器（PLC）设计其控制系统，可使该系统的运行可靠性高、故障率低、维修方便，并且可以取得良好的工作效。

Programmale LogicalＣontroller简称为PLC，近年以来PLC逐渐以微处理器作为中央处理单元，不仅具有逻辑控制，还有算数模拟等功能。

它的工作原理如图1-1所示。

图1-1 PLC的工作原理

1.2 机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手一般由控制器、驱动模块、执行机构、位置检测传感器等部分组成。在其中控制器是机械手系统的核心，它对整个系统的运行起控制决策作用，其主要功能是按照程序要求控制各种驱动设备和执行机构，驱动工业机械手按照预定的动作要求完成相应的动作；驱动模块由动力源和辅助装置组成，作为执行机构的驱动源，为工业机械手的运动提供动力来源。目前较为普遍的驱动方式有电力方式驱动、液压方式驱动、气压方式驱动和机械方式驱动；执行机构完成机械手的执行动作，目前机械手较为常用的执行机构有手抓、夹钳和吸盘等；位置检测传感器主要用于检测机械手的位置，并将位置信息实时反馈给控制器，构成闭环控制系统，能实现较为精确的定位。

常用的机械手控制系统的组成原理图如图1-2 所示。

图1-2 常用的机械手控制系统的组成原理图

1.2.2 机械手的分类

关于工业机械手的分类，在国际上尚无统一的标准，在国内暂时按驱动方式、手臂坐标、使用范围对工业机械手进行分类。

若按照驱动方式进行分类，机械手可以分为液压传动机械手、气压传动机械手、电力传动机械手、机械传动机械手等。

1.3 机械手的国内外研究现状

1.3.1 机械手的国外研究现状

美国是机器人的诞生地，并且每次机器人的更新换代，都是以美国的机器人产品为导向的，经过半个世纪的发展，目前依然是世界上机器人技术最先进的国家之一，凭借其全面和先进的技术、良好的适应性等特性，美国的机器人技术一直处在世界领先水平。

日本一有机器人王国之称，其机器人的数量和密度都是世界第一的，上世纪80年代至90年代，日本的机器人进入全盛时期，之后20世纪以来，伴随着亚洲国家对于机器人的巨大需求，日本机器人的发展重新焕发生机，将迎来一个新的发展阶段。

德国、法国和英国是欧洲三个最大的机器人市场，目前德国的机器人数量仅次于日本，居世界第二位。德、法、英的工业机器人的发展，政府的引导和促进发挥了重要作用。

1.3.2 机械手的国内研究现状

我国现有的机器人研究机构和相关单位已经超过200余家，其中，从事工业机器人研究及其产业化发展的超过80家。目前这些科研机构和单位已经能够基本掌握控制系统的硬件构造原理及实现、软件算法设计、运动学和运动轨迹规划等，开发出的工业机器人中有90%以上用于生产实际之中，根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2018年，我国机器人市场容量将达几百万台套。

虽然我国对于工业机器人的数量有刚性的需求，但是国内生产的工业机器人无论是在产品的性能、技术水平以及规模产业等方面与国外还存在着较大的差距。究其原因，一方面是因为我国在发展工业机器人过程中，忽略了与企业相结合，导致很难结合实际进行研发，实用性方面较差；另一方面是我国关于工业机器人的研究方法和研究策略，一直走的是引进和学习外国的技术，然后在此基础上做开发和研究，这样就造成自主创新技术和创新意识的缺乏，很大程度上制约了我国工业机械手产业的发展。

2.机械手控制系统总体设计方案

本章主要阐明了机械手控制系统的工艺流程，由此提出了大体的设计方案，且对组成系统的各个模块作了一般的概述。采用组件化的思想进行系统构建，发挥各个模块的优点，实现高效和集成化程度高的系统建立，对工程人员实现较优化的控制有重要意义。

2.1工业机械手的工艺流程

本设计耍求在流水线、空位和导轨之间设置一个机械手，用以完成工件在三个工位之间的空间位置转换。根据系统的控制要求，机械手能够以手动和自动两种方式完成工件的搬移工作。

对于手动控制方式，按照点动的方式进行，手动控制按钮有手动右移、手动左移、手动前进、手动后退、手动上升、手动下降、手动吸附和手动松开，按下相应的按钮，机械手分别执行机械手臂轴右移、轴左移、轴前进、轴后退、轴上升、轴下降、吸盘吸附、吸盘松开动作。

其主要的功能实现示意图应该如图2-1 所示：

图2-1 机械手控制系统原理图

图2-2 机械手工作流程示意图

如图2-2 所示对于机械手而言能够让手臂按照X轴取样品，通过转杠来旋转位置，在Y 轴上平移移走样品，最后控制手臂释放样品。

2.2工业机械手的运动参数分析

据流水线的具体资料分析我们可以机械手的运动参数的分析设计：

1、最大工作半径：1600mm；

2、手臂运动参数，

手臂最大中心高度：900mm；

伸缩行程：800mm；伸缩速度：小于200mm每秒；

升降行程：300mm；升降速度：小于60mm每秒；

摆动范围0~180°；摆动速度：小于70°每秒；

3、定位精度：-3mm ~ +3mm；

4、驱动方式：气压（中、低压方式）

5、手指加持范围：50 ~ 100mm；

6、手腕运动参数：

回转范围：0 ~ 180°；回转速度：小于90°每秒。

2.3工业机械手的总体模块设计

在本设计中，将系统分成各个不同的组成模块，通过有机组合实现系统功能。系统大致由以下几个部分组成：上位机监控系统、运动控制模块、驱动模块、执行部件模块、传感器模块等。其中，上位机监控系统通过与现场数据的实时交换，实现对系统的监控功能；运动控制模块主耍用以实现运动程序的控

制要求以及发送控制命令，实现对执行部件的控制；驱动模块为各执行部件提供动力；执行模块主耍是为完成作业要求，实现各种运动的机械部件。各模块间的相互关系如图2-3所示。

图2-3 机械手各模块示意图

系统由上述几个模块协调工作，共同完成系统的控制任务。控制面板装有自动手动控制方式转换开关、手动控制按钮、停止等按钮。系统的控制核心是可编程控制器，外部信号和控制面板上的幵关、按钮等通过控制电路接入可编程控制器的输入端，通过控制器内的控制程序输出控制结果，做出相应的输出响应，经输出控制电路驱动伺服系统和气动系统；伺服系统和气动系统动作，驱动机械部件进行运动，将工件取至需要放置的地方；过程中，机械手的空间位置状况信号都通过组态中的数据库实现实时更新，通过构建的画面和动画连接，实时反映机械手的运动状况。

2.3工业机械手的总体模块概述

2.3.1 控制器模块

运动控制器是运动控制系统的核心，其在系统控制中的任务是产生控制命令和使系统输出信号跟随参考位置。本设计采用的控制器是三菱公司PLC。PLC 是以微处理器为核心的工业自动化控制装置，具有可靠性高、运算速度快、存储量大、功能强劲、易于和计算机相连接等特点，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一，现已在工业控制领域得到极广泛应用。

PLC具有很高的可靠性，这归功与其采用的电路设计技术和生产制造工艺；还能够自我检测系统的硬件故障；在软件设计中，可以编写相关的程序进行故障诊断，在硬件和软件两个方面保证了的高可靠性。现代在数据计算能力方面比之前大大提高，能控制的系统也越来越复杂；将控制系统的外部接线用程序的方式表达出来，使得系统的硬件维护工作量减少很多，更重要的是若需要改变某一工艺流程，只需改变内部的控制程序即可实现—。

2.3.2驱动模块

驱动模块是指驱动器及相关组件。驱动器是将运动控制器输出的小信号放大以驱动伺服机构的部件，对于不同的伺服机构，驱动器有电动、液动和气动等类型。运动控制系统采用作为控制器，通常驱动器为变频器、伺服电机驱动器、步进电机环形驱动器等,本设计采用伺服电机驱动器。

2.3.3 执行模块

执行模块的主要功能是驱动被控对象，本系统的执行模块包括伺服电机和气缸。交流伺服电机包括永磁同步电机和感应式异步电机，交流伺服电机具有加减速时间短、精度高、反应速度快、过载能力强、可靠性高、效率高、外形尺寸小和质量轻等特点。执行部件和被控对象相联系的动力学特性对于系统的性能影响很大，也在很大程度上决定了被控对象是否能够达到预期的控制要求，所以，执行模块是系统性能的展现方式。

2.3.4传感器模块

在运动控制系统中，传感器获取系统中的几何量和物理量的信息，再将这些信息提供给运动控制器，为实现控制策略提供依据。

检测装置向运动控制器反映系统状况，同时也可以在闭环或半闭环的系统

中形成反馈回路，将指定的输出量反馈给运动控制器，控制器再根据此信息作出控制决策。检测装置主要用于检测运动参数和力学参数，前者有如位置、速度或者加速度等信息，后者有如电压或者电流信号等。没有信息反馈的控制是盲目的，而错误的信息反馈也会导致控制的失误，检测装置的基本特性和重要指标是准确性和实时性。

3.机械手硬件系统的设计

本章主要研究系统的硬件构成，包括控制电路的设计、伺服电机控制系统设计、气动控制系统设计、机械部件的选型等，输出控制结果，实现伺服电机的运转和气缸的动作等，实现系统的控制功能。

3.1硬件系统的结构

本设计研究的机械手属于直角坐标式的工业机械手，具有三个自有度，主要由机座、导轨和以及各个方向上的机械手臂组成，手臂主耍用以完成工作部件的位移。机械手的三个自由度为X、Y、Z个方向的直线运动，其最终的执行机构由气动吸盘来完成。执行部件和机械部件包括、自由度上的驱动电机和滚珠丝杠，自由度上的控制气缸，以及控制吸取工件执行机构气动吸盘，结构如图3-1所示。

图3-1 机械手结构示意图

机械手X方向上的移动由安装在X轴基座1上的伺服电机2驱动，伺服电机2通过联轴器与丝杠3相连，Y轴基座固5联到与丝杠3配合的螺母上，从而电机2驱动丝杠带动Y轴基座5沿移基座X方向运动，导轨4安装在X轴基座1上，滑块安装在Y轴基座5上。

Y轴方向的移动由安装在Y轴基座5上的轴伺服电机6驱动，伺服电机6通过联轴器与丝杠7相连，架子9固联到与丝杠7配合的螺母上，从而电机6驱动丝杠带动Z轴导轨沿Y基座方向移动，导轨8安装在基座5上，滑块安装在架子9上。

3.2伺服控制系统设计

伺服系统是指用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、精确地、连续地复现输入信号的变化规律，也被称为随动系统。伺服系统是自动控制系统的一个分支，伴随着自动控制理论、微电子技术、电力电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术得以迅速地发展，涉及到众多领域。

根据伺服系统的分类，本控制系统属于交流伺服系统，半闭环控制系统。本伺服运动控制包括的硬件结构有：三菱PLC、伺服驱动器，伺服电机，伺服编码器等。脉冲输入方式有集电极开路方式和差动驱动方式两种，为了方便的实现同时对两部电机的控制，本设计采用差动驱动方式。

总体框架图如图3-1 所示：

图3-1 伺服系统构成示意图

3.3气动控制系统设计

气动系统由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件组成，由原动机机获得气源，经空气压缩机、后冷却器、油水分离器和气罐，得到清洁、干燥的空气，经过控制装置和执行元件，实现压力能到机械能的转换。

在本设计中，轴的上下运动选用三位五通电磁阔作为气动系统的控制装置，气缸作为执行装置。三位五通电磁闽是指电磁阔有三个工位和五个通口。控制三位五通电磁需要两个线圈，当两个线圈都未得电时，此时的阀芯有一个工位，当得电时，阀芯到达第二个工位，当得电时，阀芯到达第三个工位；五个通口是指连接气源的进气口，连接气缸的气缸口和两个排气口。

执行装置气缸，在控制装置电磁阀的控制之下，将压力能转化为机械能，驱动机械手进行相应动作。

根据上述设计，气动控制如图3-2 所示：

图3-2气动系统构成示意图

3.4机械部件设计

本机械手的机械部件主要包含有滚珠丝杠副和导向支撑部件。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠、滚珠螺母和相关循环零件组成的以圆柱螺旋线为运动轨迹的传动部件。主耍用来将回转运动转化成直线运动，在火导程的情形下将直线运动转化成冋转运动。广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、紡织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需耍精密路径定位的领域。

选择的导向支撑部件需要有较高的导向精度，导轨副的基本性能指标即是导向精度，这是保证机械手的各个手臂能够精确运动的保证；另外，要考量使用寿命、安装工艺等系列问题，本设计拟采用滚珠直线导轨。

3.5传感器设计

传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有对应关系的、易于处

理和测量的某种物理量的测量部件和装置。在机械手运动控制系统中使用的传感器是将某种运动信号转变为电信号的装置。

本系统中用到的主要传感器有光电到位开关和光电编码器。光电到位开关即光电传感器，是采用光电元件作为检测元件的传感器，它利用被检测物对光束的遮挡和反射，将被测量的变化转换为光信号的变化，然后借助光元件进一步将光信号转化成电信号。传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。一般传感器选用的波长接近可见光的红外线光波型。

光感器的内部电路图如图3-3 所示；

图3-3气动系统构成示意图

在本系统控制中，光电编码器安装在伺服电机的驱动轴上，由丁检测伺服电机的转角，将转角信号回传给伺服放大器，实现半闭环控制。

4.PLC控制器的设计

4.1 PLC 控制器的特点

(1) 可靠性高，抗干扰能力强。这主要体现在内部的电路技术和制作工艺上，电路的设计采用了集成电路技术并依照极为严格的制作工艺进行电路的生产，并综合了先进的抗干扰技术，使得具有极高的可靠性；另外还带有硬件故障自检测功能，出现故障可以及时地进行报警；此外，还可以在应用软件中编写外围设备的故障自诊断程序，使系统中除了之外的电路和设备也能获得故障自诊断保护功能，这些技术的采用保证了的高可靠性和强干扰能力。

(2) 配套齐全，功能完善，适用性强。经过几十年的发展，各种型号的产品都发展比较成熟。

（3）易学易用，易于为工程人员接受。它的接口电路简单，编程语言中的梯形图语言使用的元件符号，与继电器控制电路和结构方式非常相似，梯形图编程语言的开关量逻辑控制指令可以通过编写控制程序方便地实现后者的控制功能，为不熟悉或者很少使用电子电路的工程人员从事工业控制带来了极大的方便。

4.2 PLC 控制器的程序设计

4.2.1 PLC 回原点程序

系统启动后都要进行回原点操作，即按下启动按钮后，程序进行自动搜索原点，程序有原点到位显示，若不显示原点则进行手动返回。系统在初始化执

行回原点程序后，机械手停在原点。

4.2.1 PLC手动程序操作示意

图4-2 手动操作构成示意图

手动运行方式下，按下控制面板上的手动控制按钮，信号经前端电路输入至的输入端，经程序编译后，根据输出结果控制对应的执行机构。

4.2.2 PLC自动程序操作示意

图4-3自动操作构成示意图

自动操作程序是指系统从初始步开始按照周期反复地连续工作。根据机械手的动作耍求，先确定自动控制的顺序功能图，再根据顺序功能图进行程序的设计。自动控制程序的详细动作时序图如上4-3所示。

参考文献

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[10] Abdallah S, Nijmeh S. Two axes sun tracking system with PLC control[J]. Energy Conversion & Management, 2004, 45(11–12):1931-1939.

致谢

本论文是在导师XX教授悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

在研究过程中，特别感谢XX师兄在实验的过程中给予我的支持和教导，从师兄这学会了很多思考方法和知识，对我的毕业论文起到了重要的作用！由于本人水平有限，在论文中难免存在不足，欢迎论文评审专家批评指正。在此，我谨向导师、论文评审专家、所有帮助过我的老师、同学和朋友们表示最诚挚的感谢。

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