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基于对三自由度搬运机械手的系统控制的探讨与分析
摘要
本论文是基于对三自由度搬运机械手的系统控制的探讨与分析，通过比较设计一种分拣比如包装盒、快递包裹、玩具等物料大小的分拣机械手，可以实现不同工位之间串联与交换，产品的整齐与排放，减少劳动力的枯燥、乏味的工作环境条件，解放工人的劳动力，提高工人的生产积极性。在这次论文中按照三自由度搬运机械手的内部结构和实际生产中运行条件通过自己的探索与改变，通过对这个现象产生原因从而发现、探讨问题，并解决这个问题产生的原因，实现一种可用于生产线产品的搬运的机械手控制系统。
如何控制搬运机械手完成指定的任务凭借的是工程师们给它编写的控制程序，这次设计内容就是对搬运机械手如何顺利的控制运动系统的设计，采用逻辑顺序的方式对控制要求进行编写。采用系列PLC三菱FX2N系列作为搬运机械手控制系统的主要控制单元，通过对步进电机的行进路线的监视，从而可以达到让搬运机械手的各个轴之间的连动方式，驱动完成搬运机械手的控制驱动方式。最后通过在线程序的模拟，不断的修改改进程序，观察相应输出下负载信号的变化，使系统达到完成任务的目的。
关键词：搬运机械手上下控制 可编程序控制器 步进电机运动方法
目录
摘 要
Abstract
第一章绪论 3
1.1课题研究的现状 3
1.1.1搬运机械手现状分析 3
1.1.2搬运机械手常用的结构形式 4
1.2本次设计的内容及目的 5
1.2.1本次设计的内容 5
1.2.2本次设计的目的及意义 5
1.3系统控制的选择比较 6
1.4 PLC定义及简述 7
1.5 PLC的基本结构组成 7
1.6 PLC的发展趋势分析 9
第二章 控制系统硬件的设计 9
2.1 搬运机械手控制结构的确定 9
2.2搬运机械手控制的要求 10
2.3搬运机械手控制的系统组成 11
2.4 硬件选型 11
2.4.1 PLC选型 11
2.4.2步进电机选型 12
2.4.3光电开关的选型 12
2.5本次系统设计的主要硬件清单 13
2.6配置I/O表 13
2.7接线图 14
第三章 搬运机械手控制系统PLC程序的编写 15
3.1系统流程图 15
3.2触摸屏组态 16
3.3程序梯形图编写 17
3.3.1手动运行程序 17
3.3.2回原点程序 18
3.3.3自动运行程序 19
第四章 程序仿真 22
4.1环境要求 22
4.2程序调式 22
致 谢 24
参考文献 25
附录
第一章 绪论
1.1课题研究的现状
1.1.1搬运机械手现状分析
伴随着人类科技技术的进步创新和人类生活环境的提高，生产制造业的飞跃式进步，搬运机械手的发展也得到了长足的进步，第一台搬运机械手于1958年在美国制造成功，到现今的仿生机器人，柔性关节的机器人，搬运机械手在发生着翻天覆地的革命性变革，搬运机械手也会向更加智能化、人性化、互换性等方面进步。由于搬运机械手的迅猛发展，在我国一些重要的行业迅速普及，主要表现在军事领域、汽车制造行业、医疗行业、制造加工行业，在诸多行业普及的同时，目前国家提出的农业+概念使得搬运机械手在农业领域的应用也更加的广泛。
自动化领域经过多年的发展，形成了一种名为机械手的装置，其具有人和机器的共有优点，在一些生产工序繁琐、大批量生产的工序应用极其广泛。在自动化生产的过程当中机械手这种自动化装置被普遍的运用，它能够抓取和搬运工件，因此它是一种才出现的新型装置。近年来，由于电子计算机被大规模的使用，所以对机器人的研制和利用渐渐成为一种新型产业，一门新型产业从而迅速发展起来的、在高科技领域出现的越来越多，从而促进了机械手的迅速开展，机械化和自动化的携手共进使得机械手能更好施展它的才能。当工人们有的时候需要面对一些不能保证安全、单调乏味的工作的时侯，机械手可以替代我们工人的工作，从而可以降低工人们的劳动强度，增加工人们的休息时间。相比于国外而言，我国工业机器人的技术及其工程利用的水平程度仍然存在许多需要改善的地方，使用规模小、产业化程度不高，我国机械手的研究和开发受限于自动化生产程度的发展，因此不管是经济上、还是技术上得考良都是至高重要的。机械手目前最主要的应用差不多就是搬运机械手：服务于自动化流水线生产领域，夹取工件并放置在下一道工序或者在需要进行上料、下料的操作的地方。焊接机械手：在机械手臂中集成焊枪等工件，借助于自由编写程序，对工件的焊接，可集成不同的工装夹具，实现各种的操作，在汽车制造流水线中应用特别广泛。特种机械手：集成在不同的作业车上，经过监视，对机械手进行远程控制，主要运用在防爆、拆爆、消防等领域。
1.2本次设计的内容及目的
1.2.1本次设计的内容
此次设计本次设计的基于PLC的搬运机械手制系统硬件主要采用FX2N系列的可编程序逻辑控制器，通过使用循环顺序控制的方式对系统程序进行编写，并输入至可编程序逻辑控制器中，通过预设的逻辑关系命令，驱动相应的负载端进行动作，本次设计的负载端主要为信号指示、步进电机等。
各章主要内容如下：
第一章为绪论，首先对搬运机械手的如何操作进行了现状分析，并介绍搬运机械手的现状，同时简单的描述了论文各章的主要内容。以及对控制系统选择的确定，然后对PLC系统的特点组成及其发展趋势做了简要叙述。
第二章是对系统硬件的设计。主要是对PLC的选型，步进电机的选型方面做了详细分析。并绘制了硬件配置表。
第三章是对软件的设计，主要通过对控制流程的分析，绘制流程图。依照PLC的选型以及流程图调配输入和输出点，最后绘制I/O表。使用FX2N编程软件对控制程序进行编写，并绘制梯形图。最后通过程序和I/O分配表，采用CAD软件绘制PLC外部接线图。
第四章是搬运机械手操作程序的尝试运行调试，使用模拟仿真软件对PLC进行模拟仿真，对程序进行修改、完善。
1.2.2本次设计的目的及意义
（1）本次设计的目的：
本次设计的目的主要是通过平时对PLC的学习认知，通过自己所学的知识，有目的的对搬运机械手的操作系统进行设计，更多的是对所学知识的一种检验与查漏补缺。按照搬运机械手的工作原理以及逻辑顺序等，对搬运机械手操作系统进行初步设计，掌握复杂强狂下对PLC计时、置位复位、脉冲输出指令的控制。通过对家用搬运机械手控制系统硬件的选型与使用，掌握各种电器元件的原理以及使用方法，为以后的学习工作奠定基础。通过对程序的编写与程序的反复调试以及修改，更加熟悉程序的一般编写方法和对程序调试方法的熟悉和认知。进而提高自己的学习能力和知识储备，发现问题并能解决问题对我们的能力也是一种提高，为以后踏上社会奠定更加充实的根底。
（2）本次设计的意义所在：
搬运机械手作为目前主要的自动控制设备之一，对搬运机械手系统设计的意义主要有：代替人工生产。解放劳动生产力；根据对对生产工艺的要求不一，依照设计好的顺序、时间和方位来实现工件的搬运和装卸；集成不同的工装夹具，实现对产品的组装、焊接、搬运等工序。从而在很大方面提高了工作的工作环境与状况，解放并让工人们的生产效率得到显著改善，加速了完成工业生产智能化和自动化的过程。因此受到国内外的关注并成为各国争先研究的课题。搬运机械手在低温、高压、粉尘、吵闹以及带有放射性等的特殊的场合，运用的更为普遍。在中国，最近一段时间也有很快的普及，并获得一些令人惊喜的效果。
参考文献
[1] 李建兴.可编程序控制器应用技术.北京：机械工业出版社，2004.
[2] 王永华.现代电器控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[3] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.
[4] 廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2005
[5] 易传禄主编.《可编程序控制器应用指南》 , 上海科普出版社,2004.
[6] 张进秋．可编程控制器原理及应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[7] 汤以范主编《电气与可编程序控制器技术》 . 机械工业出版社,2005.
[8] 任胜杰.电气控制与PLC系统．北京：机械工业出版社，2013
[9] 西门子FX2N系列PLC使用说明书
[10] 陈宇.可编程序控制器基础及编程技巧.广州:华南理工大学出版社，2002.
[11] 孙岩. Visio2007图形设计从新手到高手. 北京：清华大学出版社，2008
[12] 阮友德.电气控制与PLC实训教程[M].北京：人民邮电出版社.2006.
[13] 谢克明、夏路易.可编程控制器原理与程序设计.北京：电子工业出版社。2010
[14]Xue Shilong Chen Yihui. The Marine Anchor And winch's Frequency-conversion And Speed-modification System Based on PLC Control.IMECE.2003
[15]Charles P. The Seismic Retrofit of the Golden Gate Bridge. PRC-US Workshop on Seismic Analysis and Design of Special Bridge, Houston: International Society for Experimental Hematology, 1974. 44～46