单轴机械手控制系统设计.docx
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单轴机械手控制系统设计
毕业设计（论文）
《单轴机械手控制系统设计》
专业（系）
班级
学生姓名
指导老师
完成日期2012.12.15
附录………………………………………………………………………………………………..27
摘要
机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取，搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造，冶金，电子，轻工和原子能等部门。
通过学习和查阅资料，本课题对PLC、触摸屏、驱动器、电机进行选型，并了解其功能、用法，用PLC程序对机械手进行控制，选取最佳PLC型号，熟知掌握PLC编程软件，运用其功能编写机械手运动程序。
掌握触摸屏编程软件功能，对应PLC编写相应程序，用于对PLC控制。
了解驱动器具体用法，对驱动器进行相应设定，带动电机、模组运动，实现单轴机械手的运动。
主要通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其操作方式包括：
回原位、手动、单步、连续；来满足生产中的各种操作要求。
自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，利用机械手搬运物体、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。
随着社会的快速发展，工业现场机械手的要求将越来越高，其技术也越来越成熟
关键词PLC编程；触摸屏；驱动器
Abstract
Manipulatorcanimitatethehandandarmsom·eoftheactionfunction,accordingtothefixedprogramtograb,handlingobjectsoroperatingtoolautomaticoperationdevice.Itcanreplacethehardlaborinordertoachieveproductionmechanizationandautomation,caninharmfulenvironmentoperationtoprotectpersonalsafety,andwidelyusedinmachinery,metallurgy,electronics,lightindustryandatomicenergyandotherdepartments.
Throughthestudyanddataaccess,thesubjectofPLC,touchscreen,drives,motorselection,andunderstanditsfunction,usage,withPLCprogramcontrolofmanipulator,selectthebestmodel,knownasPLCcontrolPLCprogrammingsoftware,theuseofitsfunctiontowritemanipulatorsportsprogram.Touchscreencontrolprogrammingsoftwarefunction,correspondingPLCprogram,usedtowritethecorrespondingPLCcontrol.Understanddrivespecificusage,todriveaccordinglyset,drivemotor,modulemovement,toachievesingleshaftmanipulatorinmotion.MainlythroughthePLCinternalprogramoutputdifferentsignal,soastodrivetheexternalcoiltocontrolmotororelectromagneticvalveproducedifferentaction,canrealizeaccuratepositioningofthemanipulator,Themodeofoperationincluding:
backinsitu,manual,singlestep,continuous;Tomeettheproductionrequirementsofvariousoperation.
Sincethe1960s,themanipulatorarecarriedoutbyaproducttoitsdevelopmentandapplicationisalsoinconstantdevelopment,theuseofmanipulatorhandlingobjects,assembly,cutting,sprayingdye,etc.,arewidelyused.Withtherapiddevelopmentofsociety,theindustrialfieldmanipulatorrequirementswillbemoreandmorehigh,itstechnologyisalsomoreandmoremature.
KeywordsPLC;touchscreen;driverprogramming
第1章任务与要求
1.1课题名称
单轴机械手控制系统设计
1.2课题概述
本课题采用威伦触摸屏及台达PLC实现对单轴机械手运动系统的控制。
通过这个具体控制系统的设计，掌握运动控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段，在实践教学环节中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。
1.3设计内容与要求
1.3.1设计内容
绘制运动控制系统框图，确定设计方案。
了解威伦触摸屏及所选PLC的功能、用法，伺服马达的参数和工作原理。
完成PLC、伺服马达及相应电气元件的选型
采用protel或CAD完成运动控制系统的电气原理图绘制。
采用所选PLC及人机界面的编程语言完成软件设计。
采用软件完成编译、仿真、下载.
完成运动控制系统的硬件设计方案.
调试并实现运动控制系统的功能.
1.3.2设计功能要求
根据要求选择合适的PLC、触摸屏及伺服马达型号，完成人机界面的编写，实现对单轴运动控制系统的控制及监控。
通过人机界面实现各轴的回原点初始化、JOG及单步运动控制。
设计说明书要有硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应的说明。
要求文字流畅，图形清晰，便于阅读。
第2章引言
2.1课题研目的及意义
机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。
近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。
机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。
特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。
总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。
国内外都十分重视它的应用和发展。
可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。
随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC。
机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。
我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。
本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。
通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。
2.2国内外机械手研究概况
国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，他可按照事先制定的作业程序来完成规定操作。
国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。
定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到三米每秒，量新产品达到六轴，负载2kg的产品系统，总重已突破100kg。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合。
从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
同时随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能等方面都不能满足工业生产发展的需要。
所以，在国内是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆在现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
2.3课题研究内容
选择合适的PLC、触摸屏及伺服马达型号，完成人机界面的编写，实现对单轴运动控制系统的控制及监控。
通过触摸屏将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。
提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断等提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。
写明硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应的说明。
第3章可编程序控制器简介及选型
3.1可编程序控制器简介
可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置
3.2PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。
3.3PLC的硬件
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
1、整体式PLC
整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
2、模块式PLC
大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。
用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。
3、CPU模块中的存储器
存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。
系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。
用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。
（1）随机存取存储器（RAM）
用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。
RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。
（2）只读存储器（ROM）
ROM的内容只能读出，不能写入。
（3）可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM）
S7-200用EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。
4、I/O模块
各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。
输入模块：
PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。
输出模块：
输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。
输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。
3.4PLC的特点
可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。
其主要原因是因为PLC具有以下优点：
1、灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。
而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
2、可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
3、操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
4、功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化
由于PLC采用了半导体集成电路。
因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。
同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。
3.5PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
（1）多种控制功能；
（2）数据采集、存储与处理功能；
（3）通信联网功能；
（4）输入、输出接口调理功能；
（5）人机界面功能；
（6）编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。
3.6PLC的选型
相比较三菱、西门子PLC，台达PLC以高速、稳健、高可靠度而著称，广泛应用于各种工业自动化机械。
台达PLC除了具有快速执行程序运算、丰富指令集、多元扩展功能卡及高性价比等特色外，并且支持多种通讯协议，使工业自动控制系统联成一个整体。
考虑到台达EH系列PLC体积小，速度快，功能非常强，万年历功能，丰富的模块及板卡使得广泛适用于各种行业的检测、监控、自动控制以及定位控制等功能，因此本课题选择该种型号的PLC。
EH系列的台达PLC还具有诸多特点，如优异的运算效能，内置庞大的程序与数据存储空间，支持超过200个应用指令。
新增2轴直线/圆弧插补运动控制功能，并可搭配多样化的高速特殊扩展模块与功能卡，可满足各式各样要求即时反应的应用。
第4章触摸屏简介及选型
4.1触摸屏简介及选型
4.1.1触摸屏简介
从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：
矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
4.1.2威纶触摸屏简介
威纶触摸屏是威纶通触摸屏（人机界面）的简称。
已广泛应用于机械、纺织、电气、包装、化工等行业。
威纶触摸屏属于电阻技术触摸屏，电阻式触摸屏的工作原理如下：
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。
电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑胶平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑胶层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。
当手指威纶触摸屏时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。
控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。
基于玻璃衬底的触摸屏的触摸屏组件安装到触摸屏显示系统的显示面板组件上的方法。
方法包括至少提供一条双面可拉伸释放胶带，将胶带粘附到触摸屏和显示面板组件上，从而将触摸屏连接到显示面板组件上。
胶带可从荧幕和面板组件上拉伸释放，以便于移触摸屏。
在一个实施例中，胶带包括限定纵向轴线的粘结部分和以相对于纵向轴线成一定角度的方式从粘结部分延伸的无粘性拉舌。
在触摸屏内部的机械结构组件上，安装有由振动传感器以及匹配的信号处理电路所构成的振动检测系统，其信号输出端通过I/O端口与触摸屏的微控制器系统相连接。
构成振动传感器的核心部件，是安装系统输出的电信号以后，威伦触摸屏才开始检测触摸物，或者输出检测的数据，并通在带有配重的悬臂梁上的应变片或者相同结构的压电元件。
只有在侦测到了振动检测过判断是否后续依然能检测到触摸物来判断是否完成了一次触摸操作。
变频器包括变频器本体、散热器和风机，散热器安装在变频器本体的后部，风机安装在变频器本体的上部，且风机的出风口朝上。
在变频器的结构中，风机安装在东元变频器的上部且风机的出风口朝上，这样，风机在散热时会将变频器产生的热气往上抽出，外界灰尘不易进入风道，从而减轻了对散热器的风道的清理工作。
卷扬机类负载采用变频调速，稳定、可靠。
铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁原料输送设备。
它要求启、制动平稳，加减速均匀，可靠性高。
原多采用串级、直流或转子串电阻调速方式，效率低、可靠性差。
用交流变频器替代上述调速方式，可以取得理想的效果。
由２个半壳体联接而成的变频器本体，且在连接面之间设置有隔爆接合面。
4.1.3威纶触摸屏选型
考虑到威纶6050i触摸屏系列有以下特征，所以本课题选用6050i系列触摸屏，其特点如下：
4.3寸480*272支持USB2.0LED背光模组400MHzCPU128MB内存，其规格为：
显示器4.3寸，处理器32Bit
第5章伺服电机、驱动器简介及选型
5.1伺服电机简介
5.1.1伺服系统的作用及组成
1、在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统叫做随动系统，亦称伺服系统。
2、伺服系统包括伺服驱动装置、驱动元件（亦称执行元件，即伺服电机）、检测装置组成。
5.1.2伺服系统的基本要求和特点
1、对伺服系统的基本要求
（1）稳定性好
（2）精度高
（3）快速响应性好
2、伺服系统的主要特点
（1）有精确的检测装置以组成速度和位置闭环控制
（2）高性能的伺服电动机
（3）宽调速范围的调速系统
5.1.3交流伺服电机的工作原理
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
5.1.4伺服电机的三个环路
伺服电机的三个环路：
电流环速度环位置环
电流环：
伺服马达在驱动时由于负载的关系而产生扭矩的缘故，使得流进马达的电流增大，一旦流进马达的电流过大时会造成马达烧毁的情形。
为防止此一情形发生，在马达的输出位置加入电流感测装置，当马达电流超过一定电流
时，切断伺服驱动器以保护马达。
速度环：
此环是用来检测马达的旋转速度是否符合指令旋转速度，相对于控制装置所提供的指令，速度环控制马达的旋转速度。
位置环：
此环路是用来检测由控制器所输出位置控制指令之后,伺服马达是否移动至指令位置,相对于位置指令值，当检测值过大或过小时，控制伺服马达移动其误差值的部份，达到定位之目的。
5.2伺服电机选型
伺服电机的选型计算方法应注意三点：
转数 扭矩 惯量
第一：
看你作什么用的。
精度有多高？
——用来选伺服电机带的编码器精度，因为伺服电机的精度就是由起同轴的旋转编码器的精度决定的。
第二：
你的负载惯量有多大，折合到电机轴上的惯量有多大，以此做依据选择什么惯量等级的。
松下有小、中、大，安川有小、中惯量之分。
因为如
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