基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现.pdf

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1、基于P L C 的三自由度机械手控制系统设计与实现喻伟闯，罗晓曙，陈赤，杨春慧(广西师范大学电子工程学院广西桂林5 4 1 0 0 4)，摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于P L C 的三自由度机械手控制系统设计方案。方案中提出了步进电机在机械手定位应用中的一种新思路，详细论述三自由度机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法，井建立M C G S 组态环境界面时系统的运行进行监控。测试结果表明，该系统运行稳定，定位精确，具有较高的应用价值。关键词：P L C；三自由度；机械手；步进电机；M C G S 组态环境中图分类号：T P 2 7 3文献标识码：B文章编号：1 0 0

2、 4 3 7 3 X(2 0 0 9)1 1 1 5 5 一0 3D e s i g na n dR e a l i z a t i o no f3 D O FM a n i p u l a t o rC o n t r o lS y s t e mB a s e do nP L CY UW e i c h u a n g，L U OX i a o s h u，C H E NC h i，Y A N GC h u n h u i(C o l l e g eo fE l e c t m m cE n g i n e e r i n g，G u a n s x iN o r m a lU n i v

3、 e r s i t y，G u i l i n，5 4 1 0 0 4，C h i n a)A b s t r a c t：I no r d e rt Oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o nO fm a n i p u l a t o ri ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n，ad e s i g np r o p o s a lo f3 一D O Fm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nP L C

4、i si n t r o d u c e d T h ep r o p o s a lp u t sf o r w a r dan e wt r a i no ft h o u g h ta b o u ts t e p p e rm o t o ra p p l i e dt Om a n i p u l a t o rp o s i t i o n i n g W h i l et h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h e3 一D

5、 O Fc o n t r o ls y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l，M C G Sc o n f i g u r a t i o ne n v i r o n m e n ti n t e r f a c ef o rm o n i t o r i n gt h es y s t e mo p e r a t i o ni se s t a b l i s h e d T h er e s u l t so ft e s ts h o wt h a tt h es y s t e mr u n n i n gs t a b l y，

6、p o s i t i o n i n ga c c u r a t e l y，S Oi th a sag o o da p p l i c a t i o nv a l u e K e y w o r d s；P L C3 一D O F；m a n i p u l a t o r；s t e p p e rm o t o r；M C G Sc o n f i g u r a t i o ne n v i r o n m e n t0引言机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置 1 。三自由度机械手又称3 D机械儿能够

7、实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点C z 。可编程控制器(P L C)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目 3 。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式。收稿日期：2 0 0 8 1 1 1

8、 6基金项目：广西教育厅科研项目(2 0 0 6 0 8 M S l 3 3)广西研究生教育创新计划项目(2 0 0 8 1 0 6 0 2 0 8 0 9 M 2 6 5)和机械式机械手 4 。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和P L C 的I O 端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。1三自由度机械手的系统结构与运动方式三自由度机械手为圆柱坐标型。图1 为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧

9、装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。机械手可以根据设定程序的动作将工件从A 处搬运到B 处。S Q。，S Q z，S Q。，S Q。为水平和垂直方向上的限位开关，S Q 3，S Q 4 为原点位置和终点位置的光接近开关。2 三自由度机械手控制系统设计三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式 5 。1 5 5万方数据皿件臣团图1 三自由度机械手结构示意图2 1 硬件设计主控制系统选用三菱F X 2 N 系列晶体管输出型P L C，步进电机驱动器选用S H 一2 0 4 0 3 型模块。机械手的外部接线图如图

10、2 所示。起动上限位右限位原点位胃光电接近J F 关终点位置光电接近肝关F 限化左限位手动回原点单步单周期连续停止夹紧松开下降上升左行右行逆时针转动顺时针转动：，X 0Y 0n 几输吐S Q IX lY 2几上 F要X 2U萎x 3Y 3几左右X 4Ux 5Y 44 脱朝X 6。U，LX 1 0Y 5几机捌UX l JX 1 2Y 6n上下UX 1 3X 1 4F X 2 N-4 9 M i Y 7几左右UX 1 5一，x 2 0C O M l2 4X 2 11X 2 2C O M 0_ 1一，一-X 2 3，一-X 2 4C O M 2X 2 5J，X 2 6捌I-l 由翱一一_x 2 7Y

11、 1 0C O MY l lU“4冲向控制向控制夹紧与松开冲控制冲控制流电机正转流电机反转图2 机械手的外部接线田机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X 3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。X 1 0 为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关X 2 0 X 2 7 对应的手动操作。X l l X 1 5 分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X o，该工作方式的动作就会自动执行。步进电机只有在有脉冲信号(Y 0)和方向信号(Y 2 或Y 3)输入时才会转动，Y 6，Y 7 选择将脉冲信号Y o 送至哪个步进电机。Y 5 控制

12、送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。Y 1 0，Y 1 1 控制底盘直流电机的正反转。】5 62 2 软件设计在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位X 1 一向右运动至右限位X 2 一顺时针转动至光接近开关X 3 一夹紧装置松开。机械手自动工作方式的顺序功能图如图3 所示。机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在程序中设定，具有可重复操作性。图3自动工作方式的顺序功能图本系统采用的是P L C 梯

13、形图顺序编程的方法 6。10。其中以P L S Y 脉冲输出指令输出脉冲，用M O V 指令设定脉冲个数，指定脉冲输出完后，指令执行完成标志M 8 0 2 9 置1。由于P L S Y 指令只能使用一次，而系统中两个步进电机均需要脉冲输入，设计中采用两个外部继电器解决了该问题。将Y 0 输出的脉冲同时接至两个继电器动触点，两继电器的常开触点分别与两块步进电机驱动器的脉冲输入端相连，Y 6，Y 7接到两继电器的控制端，这样就可以通过Y 6，Y 7 来控制步进电机的脉冲输入。3 系统的M C G S 组态环境M C G S 是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善，操作

14、简便，可视性好，可维护性强的突出特点。图4 为三自由度机械手系统工作时的M C G S 组态环境界面，它包括主界面、手动万方数据现盐曳圣趣苤；Q Q 呈堑董!翅基墓墨2 璺翅垒皇至蕉苤瘗昱g工作方式界面和自动工作方式界面。参考文献1-1 3 王小玲工业机械手的P L C 控制 J 机电工程机术，2 0 0 4，3 3(9)：3 2 3 6 2 李勇成基于P L C 的步进电机控制在工业机械手中的应用 J 科技信息，2 0 0 8(1 8)：3 0 3 1 3 韩志强，刘晓婷步进电机P L C 控制的研究设计 J 轻工机械，2 0 0 6，2 4(4)：1 1 4 1 1 5(I)主界面9 手动

15、上作方式界面(c)自动工作方式界面 4 佚名机械手 E B O L h t t p：b a i k e b a i d u c o r n v i e w 图4 机械手控制系统的M C G S 界面8 1 6 1 5 h t m，2 0 0 8 5 廖常初F X 系列P L C 编程及应用 M 北京：机械工业出版4 结语社，2 0 0 5 6 刘守操可编程控制器技术与应用 M 北京：机械工业出经调试，步进电机的运转无抖动和失步现象发生，版社，2 0 0 6 机械手系统处于良好的运行状态。三自由度机械手系 7 求是科技P L C 应用开发技术与工程实践 M 北京：人民统实现的只是三个自由度方向上

16、的运动，根据工业生产邮电出版社，2 0 0 4 的实际需要，可以对其进一步改进，在夹紧装置肘部添 8 郑凤翼，郑丹丹，赵春江P L C 控制系统梯形图和语句表加腕回转控制装置，就能使之成为四自由度机械手控制 M 北京；人民邮电出版社，2 0 0 6 系统。在条件允许的情况下，也可以采用触摸屏代替 9 贾德胜P L C 应用开发实用子程序 M 北京：入民邮电出M C G S 组态环境对机械手系统进行控制，这样占用空版社，2 0 0 6 间小，人机交互界面直观，操作更方便。1。宋|土伯,2 0 生0 6 P 1 J c 编程实用指南 M 北京：机械工业出版作者简介喻伟阁罗晓曙陈赤杨春慧男1 9 8

17、 2 年出生。湖北随州人，硕士研究生。主要研究方向为电路与系统、电气自动化控制。男，1 9 6 1 年出生湖北应城人，教授。主要研究方向为非线性系统的稳定控制与同步、电气自动化控碡4。男，1 9 5 7 年出生，广西陆川人，高级工程师。主要研究方向为电气自动化控制。男，1 9 8 4 年出生，湖南张家界人，项士研究生。主要研究方向为电路与系统、电气自动化控制。(上接弟1 5 4 页)硅玻璃作为介电体，以玻璃管外表面热喷涂金属层作为导电层。这种结构的臭氧发生管虽然在加工制作时稍微困难一些，但相对于同样尺寸大小的P C 介电体管，其等效电容值和电晕功率均比较大，相应的臭氧产率较高。理论计算与已有试

18、验结果的分析对比表明，当臭氧发生管的放电气隙厚度为1 5m m，工作电压峰值为2 5k V，电源频率为10 0 0H z 时，以空气为工作气体的单管臭氧产量预期能够达到设计要求。参考文献 1 美 RG 赖斯，A 涅泽尔臭氧技术及应用手册 M 朱光，译北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 1 2 宗旭，杨波，自希尧，等臭氧的应用与进展口 化工时刊，2 0 0 2(1 2)：1 1 1 3 3 储金宇，吴春笃，陈万金，等臭氧技术及应用 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 2 4 王跃球，唐燕臭氧发生技术的现状和发展趋势 刀邵阳学院学报，2 0 0 6。3(1)：4 8 5 1 5 徐学基，诸定昌

19、气体放电物理 M 上海：复旦大学出版社，1 9 9 6 6 陈艳梅介质阻挡放电合成臭氧的研究 D 南京：东南大学，2 0 0 5 7 朱天宇，周宏伟卞新高，等有机高分子臭氧发生管的特性研究 J 高电压技术，2 0 0 2，2 8(1 2)：3 8 4 1 8 李永梅1 0 0g h 臭氧发生管的设计和研究 D 南京：河海大学，2 0 0 6 9 孙岩洲，邱毓昌，丁卫东电源频率对介质阻挡放电的影响口 高电压技术，2 0 0 2，2 8(1 1)：4 3 5 3 1 0 王振绪提高大型高频臭氧发生器电能利用率的研究 D 1南京：河海大学，2 0 0 6 作者简介陈飞男1 9 8 3 年出生，福建福

20、州人，在读硕士。主要从事臭氧发生管的研究。朱天字男，1 9 6 1 年出生，江苏靖江人。硕士，教授。主要从事大型高频臭氧发生嚣的研究。1 5 7万方数据基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现作者：喻伟闯，罗晓曙，陈赤，杨春慧，YU Weichuang，LUO Xiaoshu，CHEN Chi，YANGChunhui作者单位：广西师范大学,电子工程学院,广西,桂林,541004刊名：现代电子技术英文刊名：MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE年，卷(期)：2009，32(11)引用次数：0次 参考文献(10条)参考文献(10条)

21、1.王小玲 工业机械手的PLC控制期刊论文-机电工程机术 2004(09)2.李勇成 基于PLC的步进电机控制在工业机械手中的应用期刊论文-科技信息 2008(18)3.韩志强.刘晓婷 步进电机PLC控制的研究设计期刊论文-轻工机械 2006(04)4.佚名 机械手 20085.廖常初 FX系列PLC编程及应用 20056.刘守操 可编程控制器技术与应用 20067.求是科技 PLC应用开发技术与工程实践 20048.郑凤翼.郑丹丹.赵春江 PLC控制系统梯形图和语句表 20069.贾德胜 PLC应用开发实用子程序 200610.宋伯生 PLC编程实用指南 2006 相似文献(10条)相似文献

22、(10条)1.学位论文 印大秋 三轴摇摆台系统设计及其H控制实现 2008 三轴船舶运动模拟摇摆台可模拟船舶三自由度横摇、纵摇、艏摇三个自由度的运动，为船用设备提供真实的船舶运动模拟仿真环境。通过计算机仿真得到船舶运动轨迹，作为摇摆台的控制输入，可真实地模拟船体运动。设计的摇摆台属于典型的UOO台体结构，内框和中框可以在有限角度内摇摆，外框可在360度范围内任意位置为零点做摇摆运动。根据响应速度及负载要求，在保证精度的前提下，采用交流伺服系统及减速机构驱动台体，对比常见的直驱伺服控制方式，精度较差，但同等功率及小体积下，负载及响应速度显著提高。首先，分析摇摆台的工作原理，建立了台体力学模型，采

23、用MATLAB仿真分析台体三框之间的耦合作用，并分析了在船舶随机运动作为输入情况下摇摆台的响应能力。为满足摇摆台系统的稳定性和实时性要求，改善系统的响应能力，提高系统的稳定性，基于H控制理论设计了摇摆台系统的控制策略，并进行了仿真分析。根据模型仿真分析的结论，进行了摇摆台驱动系统的选型，采用安川交流伺服系统和高精度Neugart行星减速机驱动台体运动，满足大负载、响应速度快，控制精度要求相对不高的要求。上位机采用工控机加多轴运动控制卡PMAC的控制方式，为了满足测角系统实时性和测角精度的要求，台体轴侧安装高精度角度编码器，并采用基于CANopen总线的系统实时输出系统的姿态角。最后采用Visu

24、al Basic设计上位机监控系统，并运用OPC技术与PLC实现数据交互。通过现场调试，摇摆台带载情况下，响应能力、控制分辨率以及侧角精度都可满足要求。2.期刊论文 于复生.范文利.李彦凤.陈继文.李凡冰.YU Fu-sheng.FAN Wen-li.LI Yan-feng.CHEN Ji-wen.LI Fan-bing 基于气动机械手综合实验的开发与应用-实验技术与管理2006,23(8)以三自由度气动机械手为实验对象,开发出5个机电专业综合实验.这些实验涉及了气动系统的组成、单片机控制技术、PLC控制技术、计算机与单片机组成的集散控制系统、以及多机械手协同作业等内容,应用效果理想.3.学位

25、论文 韩蕾 基于PLC控制的教学型慧鱼机器人系统研究 2007 随着机器人技术的发展和广泛应用，教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的重视。本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计并开发了一种教学型机器人三自由度机械手。首先对机器人的总体结构进行分析，确定驱动方案和传动方案，然后按照模块化设计方法组装建立机械手结构，最后进行了机器人控制系统的研究。本文的重点是机器人的控制系统的设计。控制系统采用两级分布式结构，包括下位机的现场控制和上位机的监测系统两部分。下位机采用可编程序控制器，上位机采用PC机，从硬件上进行了PLC选型、输入输出点的配置等，软件上采用顺序控制法编制了机器人的梯形图程序，并利用P

26、LC的通信功能，采用VisualBasic开发了简单实用的监控软件，实现了远程控制机器人的目的。4.期刊论文 王晓平.李小京.Wang Xiaoping.Li Xiaojing 基于下位机与上位机三自由度机械手摔制系统的设计-科技广场2009,(7)由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移、旋转等基本指令.并且PLC技术的控制能力强,能实现模拟量的控制,具有可靠性高、抗干扰能力强、可编程等优点,所以选用PLC作为此控制系统的下位机,用于控制比较恶劣环境下机械手的动作.同时为了适应实时性,加快工作效率,该系统还采用了单片机作为上位机与PLC进行串行通讯,用VB软件实现.5.学位论文 张利

27、勇 高炉炉顶维修机器人设计 2008 随着工业机器人技术的快速发展，机器人在我国工业中的应用也越来越广泛，本文所研究的高炉炉顶维修机器人就是其中一种，它可以代替人工在高空中进行焊接和喷涂耐火材料作业。本文首先在参考国内外文献的基础上设计了一种串联三自由度模块化机器人，分别是转台模块、升降台模块和伸缩臂模块，并设计了两个附加工作装置-预埋钢脚成型机和切割机，用Solidworks建立其三维实体模型。其次，利用D-H参数的建模方法，建立了该维修机器人的参考坐标系模型，通过齐次坐标变换求出维修机器人的运动学正解和逆解，并通过矢量积法对维修机器人的雅克比矩阵进行了推算。之后，利用虚拟样机技术，将三维实

28、体模型导入ADAMS软件中进行运动学仿真，输出仿真结果，得到相关构件的位移、速度和加速度曲线或关节的力或力矩曲线。然后，我们引入有限元分析，对维修机器人的关键部件转盘和伸缩臂在ANSYS软件中进行了刚度和强度方面的分析，并分析了伸缩臂的模态。最后，简单的对控制系统的设计进行了阐述，控制系统是基于三菱FX1N-40M型PLC设计的。以上几个方面的研究工作，为今后工作中的结构优化，实体装配和实验检验等更深层次的研究奠定了基础。6.期刊论文 于复生.沈孝芹.范文利.李彦凤.许向荣.YU Fu-sheng.SHEN Xiao-qin.FAN Wen-li.LI Yan-feng.XUXiang-ron

29、g 三自由度气动教学机械手的研制与应用-电气电子教学学报2006,28(3)针对目前在机电实验设备中缺少机、电、气一体的教学型实验设备的情况,介绍了一种基于气动元件开发的三自由度机械手.该机械手应用四个两种类型的气缸实现所有的动作,并留有底层的控制接口,使单片机(ARM、DSP)、PLC以及计算机可方便地对其进行控制.该机械手可以广泛应用在机械制图的测绘周、气动技术、单片机(ARM、DSP)原理与应用、PLC与电器控制、计算机控制技术等课程的实验以及机电综合实验周、机电产品创新设计等综合性实验中,应用效果理想.7.期刊论文 陈晟.张海军.Chen sheng.Zhang haijun 应用PL

30、C实现对慧鱼机器人的控制-农业技术与装备2008,(2)以德国慧鱼公司生产的创意组合模型中的三自由度机械手为基础,通过运用可编程控制器对三自由度机械手进行控制,从而脱离慧鱼公司所提供的编程软件LLWin直接控制慧鱼模型,来加强学生对机械设计工程学的理解,并加深可编程控制器的编程与应用.8.学位论文 郑建勇 一种新型4-DOF串并联机器人的运动与力学分析及控制研究 2006 目前，具有六自由度的并联机器人已经得到了广泛的深入研究，然而，许多场合需要期望输出运动为常量的少自由度并联机器人；其中，三自由度并联机器人就是并联机构中一种很有实用前景的机器人。本文提出了一种新型的4-DOF高速串并联机器人

31、，其主体就是一个解耦的3-7R并联机构，文中先后对该并联机构进行了运动与力学分析及机器人控制等方面的研究，主要的研究内容如下：从运动副分析入手，提出了一种运动解耦的3-7R并联机构，并在3-7R机构动平台上串接了一个具有旋转自由度的末端执行器，构成了一个具有4自由度的串并联机器人；对该机器人的主体3-7R并联机构进行了运动学分析，推导出了3-7R并联机构的运动学正反解及输入/输出的速度、加速度分析等；运用虚功原理，首先对7R单支链的平行四边形驱动机构进行了静力学分析，并在此基础上，利用拉格朗日动力学方法推导出了3-7R并联机构的动力学方程。根据4-DOF串并联机器人的主体3-7R并联机构具有运

32、动、力解耦等特点，选用CASNUC2100航天数控系统建立了4-DOF串并联机器人控制系统的硬件平台；针对本机器人非线性输入/输出的具体特点，在原数控软件的基础上，设定了数控主程序，建立了软件系统；编写了PLC控制程序。完成了气动控制系统的设计。这为后续的基于商用数控系统的“非线性输入输出”控制策略的深入研究和并联机器人的标定工作提供了前提条件。9.期刊论文 王欣欣.齐永奇.赵建林.王宗伟 慧鱼点焊机器人的PLC控制系统实现-机电工程技术2009,38(9)针对慧鱼点焊机器人,提出了一种基于现有西门子可编程逻辑控制器PBC(Programmable Logic Controller)装置进行控

33、制的实现方法.首先分析点焊机器人的运动控制量及其之间的逻辑关系,然后通过电磁式继电器解决PLC与机器人硬件连接问题,最后运用PLC的梯形图语言进行软件编程实现合理的运动控制.最终实现了点焊机器人完整的三自由度机械手臂运动.创新点在于电磁式继电器的应用.10.学位论文 陈光明 基于嵌入式系统的机器人控制器研究 2005 本文针对工业应用中大量存在的二、三自由度机器人，开发一种基于嵌入式系统的机器人通用控制器。在综合分析和比较当前各类先进的机器人控制技术和方法的基础上，提出机器人控制器的总体方案，并重点介绍了机器人控制器的核心部件运动控制卡的硬件设计及底层程序开发。具体的研究工作和成果包括：提出了

34、一种基于嵌入式系统的机器人控制器总体方案：选用嵌入式主板PCM-5825作为控制器的主控板，自行设计运动控制卡、内置PLC、AD接口电路、手持式编程器。完成了以DSP+FPGA为核心的运动控制卡硬件电路设计：采用模块化设计方法，把复杂的运动控制卡细化为功能相对独立的子系统，再对控制卡的各个子系统分别进行设计，如电源模块、存储器模块、D/A转换模块、脉冲输出模块、PC/104主板和DSP之间的通讯接口模块等。基于研华PCM-5825定制了WindowsCE操作系统，该操作系统内核小，实时性强。实现了运动控制卡的底层硬件程序开发，包括DSP程序和FPGA程序的开发与调试。在仿真实验基础上，设计制作了运动控制卡的原理样机，并对该样机进行了功能测试，试验表明，该卡达到了预期的控制功能。对加减速控制曲线进行了比较研究，确立了四次凸轮曲线作为加减速控制曲线，并建立了数学模型。最后，对研究内容进行了总结，并对进一步的研究工作作了展望。本文链接：http:/