完整版基于QD75四自由度搬运机械手的设计毕业设计.docx
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完整版基于QD75四自由度搬运机械手的设计毕业设计
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
基于QD75四自由度搬运机械手的设计
姓名：
王平盛
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
2010.02
指导教师：
李胜多
2014年06月16日
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
毕业论文（设计）版权使用授权书
本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。
本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。
本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
基于QD75四自由度搬运机械手的设计
摘要
近年来，随着科技的快速发展，PLC运动控制的产品得到了快速的发展。
在一些高危险的领域中，为了减少工人劳动量，避免事故的发生，机械手得到了广泛的应用。
用PLC控制的机械手具有操作简单、价格便宜等一些特点，因此，由PLC控制的机械手也就应运而生了。
本设计描述了机械手的国内外现状、发展趋势和研究的意义等。
同时本次设计做了硬件部分的选型，包括威纶触摸屏、三菱QD75定位模块、Q00JCPU及其输入输出的选择和伺服控制系统等一些内容。
通过对三菱Q系列语言的学习，用GXDeveloper实现了语言的编程，并且用GXConfigurator-QP进行参数设置、监视和测试。
另外，为了能够更加直观的对机械手进行监视与调整，在本次设计中完成了对人机界面的设计。
关键词：
机械手；QD75；伺服系统；人机界面
TheDesignofFourDOFHandlingRobotBasedonQD75
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theproductsofmotioncontrolusedinPLCrapidlydeveloped.Insomeordertoreducetheamountoflaborandavoidaccidents,robotswidelyused.TherobotscontrolledbyPLC,cheappriceandsoon.Therefore,therobotscontrolledbyPLCappearedsuccessfully.
Thedesigndescribedthecurrentsituationofdomesticandforeignandthetrendofdevelopmentandthesignificantofresearch,etc.Meanwhile,thedesignselectedoflanguageoftheseriesofMitsubishiQ,IachievedtheprogramwithGXDeveloperandIalsosettheparameterofGXConfigurator-QPandachievedreal-timemonitoring.Inaddition,inordertomonitorandadjusttherobotsmoreintuitive,thetaskdesignedaman-machineinterface.
Keywords:
Robot;QD75;servosystem;-machineinterface
1绪论
1.1设计的目的和意义
机械手在现代工业领域中是一种重要的控制对象，它能够按照一定的程序、轨迹，模拟人手的动作，完成一系列的抓取、搬运或者对工具进行操作等动作。
另外，机械手在搬运、切割、喷漆等各方面都得到了广泛的应用，使人们的生产和生活得到了很大的提高。
特别是在高危险、有毒、有放射性等恶劣的条件下，避免了大量的事故的发生，机械手在此方面具有明显的优势[1]。
总之，机械手能够更好的提高生产生活效率，改善人们的生活，释放出大量的劳动生产力，减轻人们的工作量，便于有节奏的生产，机械手易于维护，便于安装和使用。
这些优势使其在国内外都受到了大量的关注。
随着在当今社会中科技的发展，各种生产对于精度的要求也随之提高，在很大程度上，使机械手在精度方面无法更好的满足工业生产发展的现状。
另一方面，为了更好的节省劳动生产力，提高生产效率，自动化的要求也随着社会的发展有了更高的要求。
可编程控制器（PLC）在现代中是一种专业的工业控制装置，在当代工业中PLC得到了广泛的应用。
随着现代化的发展，各种科技都得到了高速的发展，可编程控制器自然也不例外，它在各个方面都取得了很大的发展与进步，这使得可编程控制器不断的向各个领域发展，在各个中小型企业中它逐渐成为了自动化的标志。
在当代工业中，PLC控制系统向着简易化、可靠性好以及简单的操作等方面前进，逐渐成为了现代化工业发展的重点。
另外，在现代化的工业环境下，PLC为实现现代化的制作生产做出了巨大的贡献，特别是在硬件配置和软件编程以及与网络实现交流互换信息等方面具有不可磨灭的贡献[2]。
近些年来，我国工业水平得到了很大的提高，社会竞争也变得更加激烈。
在我国的各种中小型企业中，为了更好的节约成本，提高自己的竞争力，获得更好的收益，各种自动化也成为了发展的主要方向。
在此方面，三菱系列的PLC利用本身的优势取得了很大的市场，通过对CPU的组合，实现了对各种特定应用的需求。
三菱Q系列PLC能够对各种CPU进行组合，能够更加自由的连接，这使其在现代化生产中占据着不可替代的地位。
1.2设计项目发展状况
国内方面：
目前在一些机种方面，像搬运机械手、装配安装等各方面机械手，已经基本掌握了现代化的技术，能够很好的进行各种设计和专业的制造。
另外对于各种特殊的机械手来说，它们要在一些特殊的地方进行工作，像水中、管道和各种高危险高辐射的环境等，我国已经基本解决了机械手在驱动系统方面的有关问题，能够更好的对机械手的内部系统进行系统的配置。
而且我国的机械手在软件方面也有了突破性的进展，掌握了软件设置的关键性技术（设计和编程方面的技术）[3]。
另外，在我国机械手还更好的与现代化技术进行了结合，能够实现设备之间的自动通信，也能够实现各个系统之间的协调与配合。
我国在各种基础元件方面也有了突破性的进展，能够更好的服务于我国的各行各业。
我国对于机械手的发展主要是以下几点：
①不断提高机械手的运动速度、抓取物品的精确度和机械手的可靠性。
②机械手能够进行精确的组合与重装，形成了一个个的模块。
③在现代化的机械手更加趋向于网络化、标准化：
多个器件集合成为一个或几个小的个体。
④在机械手方面，我国也将传感器广泛的应用于各行各业中，使得传感器成为了机械手工业的一个发展重点。
⑤虚拟现实技术用于过程控制。
国外方面：
在60年代末期美国已经开始出现PLC控制系统，经过了几十年的发展，其技术已经相当成熟，并且在各行各业的领域中得到了广泛的应用，机械手更是已经趋向于智能化[4]。
在这些智能化的机械手中，获得了一定的传感能力，通过对外界各种条件的不断变化，不断的根据其做出相应的变化，重点是不断研究提高机械手的视觉功能和触觉功能，能够更好的感应外界条件的变化并作出动作。
随着科技的发展，机械手不断的向着小型化和微型化发展，突破传统的机械领域，向着各种高端产业发起了挑战。
另外，国外的机械手已经研究采用将摄像头和各种传感装置与计算机进行连接，组成各种机床，达到了更高的目的要求。
总之，我国的PLC在机械手方面的设计明显趋于比较落后的地位，这就使我国自主开发的PLC不能在我国得到更好的发展与应用。
作为一名大学生，我们应该更好的掌握PLC，学习更多的知识，适应现代社会高速发展的要求。
1.3研究内容及目标
用三菱Q系列语言实现编程，用QD75作为控制系统，实现对四自由度机械手的设计。
对各个输入输出接口进行合理的分配以及整体的流程有一个清晰的布局，另外，掌握它们的结构等。
主要是实现以下几个目标：
（1）机械手的定位。
（2）机械手的动作，其中包括旋转、抓取等。
（3）机械手的复位功能。
另外，为了实现对机械手的控制系统的远程监控，还要利用威纶触摸屏设计一个完善的人机界面。
1.4本章小结
本章主要内容是介绍选题的依据，并且指出了国内外的发展状况，说明了其中的不足，这就督促我们掌握各方面的知识，更好的应用于生产生活中。
并且针对其做了研究内容和研究目的规划。
2硬件部分设计及选型
2.1机械手的设计
下图2-1是本次设计中机械手的设计模型。
图2-1机械手设计图
本次设计的是四自由度搬运机械手，也就是这个机械手有四个轴，包括机械手的前后伸缩、上下升降、底盘的旋转和机械手夹持器的旋转抓取。
另外，为了实现对机械手的监视和控制，需要一个触摸屏，建立一个人机界面完成管理。
2.2威纶触摸屏
2.2.1产品系列介绍
WEINVIEW是新一代嵌入式工业人机界面，它可以分为MT8000和MT6000两种系列，根据采用的CPU不同，WEINVIEW人机界面分为T系列、i系列和X系列。
i系列和X系列具有更快的CPU和更大的内存，从而具有更快的速度运行，在这三个系列中，根据接口配置的不同，又可以分为MT6000系列通用型产品、MT8000系列网络型产品和MT8000系列专业型产品[5]。
WEINVIEW人机界面的命名规则如图2-2所示。
图2-2WEINVIEW人机界面的命名规则
例如，在本次设计中我所使用的威纶触摸屏的型号是MT6070iH，表明该威纶触摸屏是6000系列，具有7寸LCD的触摸屏，属于i系列。
2.2.2MT6070iH威纶触摸屏
产品介绍
MT6070iH是威纶通公司新开发的一代产品，采用16：
9的宽屏设计，具有400MHzCPU和128MB的内存配置。
与目前市场上的200MHzCPU相比较，该产品在反应速度、通讯速度和下载速度等方面都有大幅度提高。
产品特点
IP65面板防护等级
LED背光灯
USB主接口及USB从接口各一组
内建电源隔离防护器
COM1RS485或COM3RS485支持MPI187.5K，但同时间只能选择其一使用。
规格说明
外壳材料：
工业塑料，
显示器：
7寸800×48065536色TFTLCD
CPU:
32BitRISC400MHz
内存（DRAM）：
64MBDDR2onboard
存储空间：
128MBflashmemoryonboard
通讯界面：
三组异步串行通讯端口：
COM1:
RS-232RS-4852W4W,
COM2:
RS-232,
COM3:
RS-232RS-4852W
USB1.0”是表示QD75中IO的起位置，在此种写法中属于“智能功能软元件”法。
在每一次的机械手的启动中，每一个轴都有可能出现错误，这就需要我们对错误的信号进行检测，防止其错误的发生；如果发现错误的信号，要对其位置作出调整。
下面程序是对轴一（X轴）根据错误信号做出相应的调整。
再接下来是各个轴的启动运行，在运行之后，还有各个轴的速度变更，只有速度变换成为正确的速度之后机械手臂才能运行。
下面程序也是以轴一（X轴）为例，对其进行加速的调整。
相对于加速调整来说，减速调整基本是相同的，只要将加减速的标志D+和D-进行相应的变换，然后还要有相应的数据寄存器以及各个脉冲的变化，这样就可以实现加减速的变化，下面这个程序就是机械手臂的减速程序。
最后，要想使机械手臂能够正常的运行，就要输入相应的脉冲信号，通过输入的脉冲来控制机械手臂的速度和位置，达到希望的结果。
下面是在启动时对轴一（X轴）输入5000脉冲，让轴一（X轴）达到相应的速度和位置。
以上就是我所完成的用QD75为核心的机械手所用到的轴一（X轴）运行的程序，另外三个轴的程序的编写也是基本相同的，只是各种寄存器的代号有所区别，这就完成了本次设计的机械手有关程序的编写。
总程序见附录二。
3.4参数的设置及监视
在本次设计中，用QD75定位模块，也就需要用GXConfigurator-QP进行数据的设置和监控。
在使用GXConfigurator-QP时，可以不用缓冲存储器就能完成对QD75的参数设定和对定位数据的设定。
另外，也可以利用GXConfigurator-QP的测试功能在参数设定和运行QD75之前检查接线的完整性。
下图3-4是我所设计的GXConfigurator-QP的初始界面。
图3-4GXConfigurator-QP界面
在这个界面中主要的是工程树视图，如下图3-5。
通过对这个工程树视图的数据进行设置处理就可以实现在本次设计中的参数设置、定位数据的处理以及监控测试。
图3-5工程树视图
首先，要实现对各种参数的设置，包括基本参数、扩展参数、OPR基本参数和OPR扩展参数。
通过在工程树视图中点击然后双击，就可以进入参数设置的界面，如下图3-6所示：
图3-6参数设置
在工程树视图中，接下来的内容是，这是用来实现定位数据的设置的，在其后的#1、#2、#3和#4分别代表的是轴一、轴二、轴三和轴四，用此来实现对每一个轴的参数设置。
下图3-7为轴一定位数据的设置。
图3-7轴一定位数据
再往后工程树视图中出现的是，它是用来实现对块启动数据的设置，同样，也是用#□来表示各个轴。
当执行数据到“高级定位控制”时，必须要设置“块启动数据”，这也就需要对块启动数据进行设置。
下图3-8为轴一块启动模块的数据设置。
图3-8轴一块启动数据
在所有的参数设置以及定位数据的设置完善后，就要用GXConfigurator-QP的监视功能，实现对各个数据的演示以及监视。
下图3-9面是在各种数据完成后对轴一进行的控制轨迹的模拟。
图3-9轴一控制轨迹模拟
在各种参数设置正确、定位数据完善后，用GXConfigurator-QP进行的是定位数据的监视、动作的监视、定位的调试、信号的监视以及轴控制数据的监视等等，下图3-10是对定位数据的监视图。
图3-10定位数据监视
3.5本章小结
本章主要是涉及到了本次设计中程序编程的内容，从输入输出接口的分配，到绘制PLC的外部接线图，最后对程序进行统一的编写，并用GXConfigurator-QP进行了参数的设置以及监视。
4人机界面的设计
4.1人机界面
人机界面又称用户界面，它能够完成“人——机”之间的交流，实现信息之间的交换，是现代科技发展中不可缺少的一部分13]。
人机界面的建立就是为了让人能够更加清楚的了解产品的使用，能够将不可见的信息转化成各种图像、按钮等来实现对系统的控制。
人机界面的建立，对于现场控制和监督管理来说显得越来越重要，它能够将复杂庞大的系统转化为简单、易懂、实用的画面。
因而，为了能够更好的将复杂的内容简单的展现在我们的面前，人机界面的设计也就具有了其原则。
①以用户为中心，这是人机界面设计的基本原则。
就是在系统开发的过程中要清楚用户的要求，要实现结合用户所在的工作环境。
②顺序原则。
即根据控制的工艺流程进行设计，要按照由上到下、由大到小的查看访问顺序进行管理。
③功能原则。
即按照工作环境和场合，对不同的子系统进行分类，并且按照管理对象的不同，设计多级多层次的管理系统，从而使用户能够更好的掌握界面的使用，能够更好的提高操作性。
④一致性原则。
也就是按照规定，将文字、形状和颜色等进行统一的设计和管理。
这是为了形成一个统一的界面，使得界面更加的整洁、美观，能使人感觉更加清晰合理，减少操作中的失误。
⑤频率原则。
也就是根据人——机交换的频率建立不同顺序的窗口，有效的提高监督效率。
⑥重要性原则。
按照控制对象在系统中的重要性，建立多层次的设计窗口，有助于更好的把握系统的主次，提高了管理调度的效率。
⑦面向对象原则。
也就是根据用户操作人员的不同，设计不同的操作界面，根据工作性质的不同，窗口的设计也不同，这能够更好的提高人——机交换的效率，也就提高了工作效率。
另外，在人机界面的建立时，需要考虑其中的人文因素。
①人机匹配性：
人和计算机要形成合理的配合，如果出现问题，要对计算机中内容进行修改。
②人的固有技能：
要考虑一个人对界面的认识程度，处理复杂人机界面的能力，对各种问题做出合理的分析。
③人的固有弱点：
作为一个成功的人机界面，要尽量减少用户在使用时对记忆量的需求，避免不必要的失误。
④用户的知识经验和对系统的态度。
近些年来，随着科技的发展，国内的自动化产业也随之发展，人机界面的使用也更多的走入市场，得到了广大用户的认可。
这也就要求用户界面能够更加清楚的显示系统的工作流程，具有更加直观的视觉和触觉效果。
4.2人机界面的创建
在人机界面的设计中，需要面板具有多层次的管理，才能够体现更好更直观的视觉和应用效果，体现设计中系统的内容，将演示结果更好的呈现在眼前，并且建立完善的监视系统。
在人机界面的创建中，要先进行页面的设计，这是为了让人们能够更加直观的清楚所设计的内容，明白这个人机界面的作用，下面是我所设计的人机界面创建的页面。
图4-1人机界面的建立
4.3操作面板的设计
在本次设计的人机界面中，做的是基于QD75的搬运机械手，这就使该界面必须有一个启动和一个急停按钮，并且要求该界面有这两个按钮对应的指示灯。
因为这次设计是对四自由度搬运机械手的设计，这也就要求必须有四个伺服电机，也就有了这四个电机的开关机按钮和四个电机所对应的四个机械手的接通，也就有了所谓的四个信号。
另外，每次开机时机械手臂不一定每次都在自己所预想的位置，这也就造成了在一些时候会产生错误，在设计中必须正确的对待这些信号，并且对这些错误信号进行显示，并且及时的对错误信号进行有效的处理。
另外，只有这些画面的设计还是不够的，设计还需要对画面和数据进行连接，将数据库中的数据与对应的对象建立连接，只有这样才能使图形进行各种形状、颜色的变化，根据系统的要求产生相应的动作，完成完整的人机界面的设计。
下图就是我对本次设计进行演示监控而设计的操作面板。
图4-2操作面板的设计
4.3本章小结
本章主要是对人机界面进行了简单的描述，根据人机界面的设计原则进行人机界面的相应设计，详细的对本次设计人机界面的创建过程进行了具体的描述和说明。
5总结
在本次设计中，主要是采用PLC控制机械手，可以大大提高系统的可靠性，更加有效的实现对机械手臂的控制。
本次设计是基于三菱可编程控制器QD75为核心进行研究设计的，为了实现对本次设计的要求，需要对三菱Q系列PLC、威纶触摸屏、MR-J2S-Super系列伺服控制系统等进行选型，要学习使用三菱Q系列语言，用GXdeveloper进行编程，用GXConfigurator-QP进行数据设置以及监控。
在本次设计的过程中，我对PLC控制的自动系统有了一定的了解，任何控制系统的开发都需要经过严谨的处理和系统的调试过程，要一边学习新的内容，一边运用到实践当中，在遇到问题时，经过不断努力探索来解决。
在本次设计中，我深刻的体会到要将理论和实践结合的重要性，只有一些系统的理论，是不能满足人们的需求的。
由于时间紧迫，本次设计在一些方面还有不足之出，需要经过不断的努力和学习，不断提高自己的水平。
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致谢
光阴荏苒，我即将完成工程学士学业，走向人生新的征程，在此，我向导师、同事以及我的家人和朋友表示最真挚的谢意。
首先，衷心感谢导师李胜多老师对我的关怀和悉心指导，从论文的选题到试验的设计、实验的具体实施及论文的构思、修改、成文直至最后的定稿，无不倾注着恩师的心血，使我顺利完成工程学士学位论文的撰写。
李老师严谨的治学态度、渊博的学识、认真务实的工作作风无不时刻感染着我，将使我终身受益。
在此，谨对李老师致以最诚挚的谢意。
感谢我的父母和家人。
感谢他们这么多年的对我的养育和期盼，感谢他们站在我身后，给我学业、生活上的支持和鼓励。
在我困难的时候，因为有父母和家人的关心支持，才能使我克服困难，顺利的完成学业。
感谢实验室的同学给予我课题理论方面的精心帮助，感谢我的朋友，我的每一步成长都离不开他们的关心、支持和鼓励。
最后，感谢各位专家教授在百忙中对本文的审阅!
附录
附录一PLC外部伺服系统接线图
附录二程序梯形图
附录三元器件清单
器件名称
型号
数量
主电源开关AC-220V
GS26I
1
额定绝缘电压380V脱扣器电流63A
伺服驱动器
MR-J2S-40A
4
伺服电机
HC-KFS43
4
3AC129V2.3AOUTPUT400W
开关电源DC24V
1
AC220转DC24V
CPU
Q00JCPU
1
DC24V
PLC
QD75D4
1
DC24V
PLC输入
QX40-S1
1
DC24V
PLC输出
QY40P
1
DC24V
主电源指示灯
CL-523R
1
DC
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