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plc機械手實驗報告
在現(xiàn)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(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)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(yīng)用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手機器人的一個重要分支。
plc機械手實驗報告范文一：
1選題背景
1.1研究意義，現(xiàn)狀分析及其意義
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
我國現(xiàn)有機器人研究開發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家 ,其中從事工業(yè)機器人研究和應(yīng)用的有75家 ,共開發(fā)生產(chǎn)各類工業(yè)機器人約800臺 ,90%以上用于生產(chǎn)中 ,引進工業(yè)機器人做應(yīng)用工程的約500臺[1]。
計算機控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。在經(jīng)濟全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生產(chǎn)率，縮短訂單處理時間等已成為生產(chǎn)企業(yè)的不斷追求。為了達到這一目標(biāo)，它們越來越依賴于新一代的硬件和軟件系統(tǒng)。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(yīng)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(lǐng)域，形成了基于PC的控制系統(tǒng)。
隨著計算機控制技術(shù)在機械手應(yīng)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(chǎn)的通用機械手得到迅速發(fā)展[2]。各國大企業(yè)工業(yè)機械化生產(chǎn)過程不同程度實現(xiàn)了工業(yè)機械手的計算機控制。
1.2 機械手、計算機的發(fā)展趨勢及其優(yōu)點
工業(yè)機械手的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。它能部分地代替人工操作;能按照生產(chǎn)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(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
廣泛采用工業(yè)機械手，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)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(lǐng)域推出了IBM-PC以后，計算機的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的時代——微型計算機時代。微型計算機的迅速、大規(guī)模的應(yīng)用與普及，使計算機真正廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)平臺的網(wǎng)絡(luò)、高級的控制算法、廣泛的數(shù)據(jù)庫操作、在一個平臺上的HMI功能、集成自定義的控制程序、復(fù)雜的過程模擬、很高的CPU處理速度、內(nèi)存需求超出PLC規(guī)格、多重協(xié)議接口、無線存取、控制規(guī)律靈活多樣，改動方便、控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)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(yōu)點使得行業(yè)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(tǒng)
本設(shè)計以實驗室的5自由度機械手臂為模型進行設(shè)計。
現(xiàn)對其機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)敘述如下：
5自由度分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)動基座、臂、肘、腕、鉗轉(zhuǎn)動五個轉(zhuǎn)軸，其中轉(zhuǎn)動基座轉(zhuǎn)軸可在±180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，臂轉(zhuǎn)軸可在±45°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，肘轉(zhuǎn)軸可在±60°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，腕轉(zhuǎn)軸可在±90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，鉗轉(zhuǎn)軸可在±180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，鉗口可在3.5厘米~8.5厘米的范圍內(nèi)開合。機械手的結(jié)構(gòu)如圖2-1 機械手結(jié)構(gòu)簡圖
各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)采用步進電機作為動力源，步進電機不直接驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，而是安裝在轉(zhuǎn)軸旁邊，利用差動變速原理使用適當(dāng)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(qū)動系統(tǒng)
工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)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(shù)的發(fā)展，電氣驅(qū)動開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械手制造，采用電氣驅(qū)動的機械手最大優(yōu)勢是便于實現(xiàn)數(shù)字控制，其中采用步進電機作為驅(qū)動機構(gòu)的機械手占有相當(dāng)比重;
步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)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(tǒng)的閉環(huán)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(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當(dāng)?shù)臅r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(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
所以本設(shè)計的機械手驅(qū)動部分采用步進電機驅(qū)動。
底座安裝有4個開關(guān)電源，4個步進電機驅(qū)動器，其中包括轉(zhuǎn)動基座、臂、腕、鉗旋轉(zhuǎn)4轉(zhuǎn)動軸的步進電機驅(qū)動器。臂腔內(nèi)有肘、鉗開合2個步進電機驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動基座、臂、肘、腕、鉗旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動共用一個開關(guān)電源，肘、鉗開合共用一個開關(guān)電源。
整個系統(tǒng)使用220V 50Hz市電電源。
2.3 控制系統(tǒng)
控制器是整個系統(tǒng)的核心，其處理能力與整個系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性密切相關(guān)。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(yōu)缺點：優(yōu)點是便于實現(xiàn)生產(chǎn)信息化，設(shè)計相對較簡單，可實現(xiàn)很復(fù)雜的運動控制，但計算機穩(wěn)定性程度不夠高，可能出現(xiàn)死機等情況。
方案二：控制器采用PLC來控制現(xiàn)場的步進電機。
優(yōu)缺點：優(yōu)點是生產(chǎn)安全可靠、提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量、控制環(huán)境污染、降低工人勞動強度、提高設(shè)備的運轉(zhuǎn)率及勞動生產(chǎn)率。由于PLC有著極大的靈活性，易于模塊化，當(dāng)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(tǒng)設(shè)計多了一個環(huán)節(jié)，增加設(shè)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(shù)字式、電氣自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制專用PLC。機械手的控制系統(tǒng)的可靠性要求比較高、環(huán)境比較惡劣，所以采用方案二。
3硬件方案設(shè)計
3.1 整體方案設(shè)計
設(shè)計方案采用集成了步進電機驅(qū)動器包含轉(zhuǎn)動基座、臂、腕、鉗轉(zhuǎn)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(xiàn)機械手運動控制。
現(xiàn)場總線采用Profibus-DP通訊方式;其優(yōu)點在于有國際標(biāo)準(zhǔn)做保證，經(jīng)實際應(yīng)用驗證具有普遍性。目前廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域。
工業(yè)控制計算機運行組態(tài)通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)對PLC、機械手運行情況進行檢測、監(jiān)視及控制，并采用OPC接口將系統(tǒng)接口開放方便其它設(shè)備連入實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、管理，利用數(shù)據(jù)庫軟件與組態(tài)軟件的連接將生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔供其它部門調(diào)用。
通過現(xiàn)場上位工業(yè)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(tài)監(jiān)控，其中上位工業(yè)控制計算機還將完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、歸檔供其它部門調(diào)用，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有開放的接口可以方便地接入其它支持現(xiàn)場總線的控制終端，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)了對機械手故障的報警，保證機械手的穩(wěn)定、安全運行。
3.2步進電機驅(qū)動器
使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖3-3步進電機驅(qū)動過程圖：
脈沖信號的產(chǎn)生：
脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。
信號分配：
感應(yīng)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(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流(而樣本上的電流均為靜態(tài)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(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分?jǐn)?shù)等。
為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如圖3-4步進電機驅(qū)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(qū)動電源不工作
DIR：方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)
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(qū)動器、開關(guān)電源的選型：
在本設(shè)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(jié)合以上所述選取原則對步進電機及其驅(qū)動器進行選型如表
表3-1 步進電機及其驅(qū)動器的選型
根據(jù)所使用的電機型號的需求，對開關(guān)電源選型如表3-3開關(guān)電源的選型：
表3-4 開關(guān)電源的選型
4軟件方案設(shè)計
4.1 整體方案設(shè)計
整體編程思路：本設(shè)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(shè)置有各關(guān)節(jié)的控制按鈕各兩個，每個關(guān)節(jié)的兩個按鈕分別控制該關(guān)節(jié)的兩個相反方向的運動，按鈕采用自鎖型按鈕，即當(dāng)按下某個按鈕時，機械手相應(yīng)關(guān)節(jié)開始運動，再按一次該按鈕，機械手停止運動，當(dāng)按下該關(guān)節(jié)的另一個按鈕時，該關(guān)節(jié)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(fā)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(dāng)計算機發(fā)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(tǒng)計
根據(jù)以上工藝要求，初步統(tǒng)計各種I/O點、V交換區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、中間繼電器統(tǒng)計、狀態(tài)位統(tǒng)計分別如表：
表4-1 I/O點統(tǒng)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(jié)束語
本系統(tǒng)以計算機為主完成對機械手的運動監(jiān)控。機械手的直接控制機構(gòu)為PLC，當(dāng)上位機出現(xiàn)死機等故障時不影響整個系統(tǒng)的運行，可通過現(xiàn)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(qū)并使用這些信息進行實時檢測及數(shù)據(jù)歸檔，提供對機械手運行情況的歷史紀(jì)錄及查詢。
在設(shè)計中我們使用Profibus-DP通訊協(xié)議，方便了以后擴展系統(tǒng)設(shè)備及功能，不至造成因擴展需要使整個系統(tǒng)重新設(shè)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(tài)監(jiān)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(tài)軟件與三維制作軟件結(jié)合進行組態(tài)監(jiān)控。
plc機械手實驗報告范文二：
一、實驗?zāi)康模?/strong>
通過對一個三自由度氣動機械手的控制程序的設(shè)計，熟悉基于PLC的類似機械手機器人的控制特點，掌握其設(shè)計方法，設(shè)計思路，為今后工作中PLC的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
二、實驗裝置：
隨著生產(chǎn)自動化程度的提高，機械手和機器人已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)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(tǒng)的控制元件—電磁閥的控制方法。
2、按照設(shè)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(huán)
節(jié)拍的控制使用時間原則，每個節(jié)拍為5秒。
四、實驗過程：
1、熟悉機械手的結(jié)構(gòu)。
2、畫出氣動系統(tǒng)原理圖。
3、氣動系統(tǒng)接線。
4、PLC控制程序設(shè)計。
5、控制系統(tǒng)接線并調(diào)試。
五、實驗報告：
1、整理出PLC控制程序梯形圖。
2、總結(jié)程序編寫和調(diào)試中的經(jīng)驗和體會。
改變動作順序和動作節(jié)拍修改程序并調(diào)試成功。
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