三菱plc的三轴机械臂运动控制系统设计(附件)【字数：11964】
摘 要 20世纪中叶，生产力处于高度发展的阶段，当时已经存在高度自动化的机械设备。因为激烈的市场竞争，各个厂商间的产品必须多样化，并且不断的更新换代才能适应不断提高的生产要求。机器人的出现，对人类社会的影响非常巨大，它极大的提高了生产效率，提高了产品质量，降低了人工成本，减轻了人们的劳动强度，甚至将人从重复的，繁重的，单调的劳动中解放出来。本文主要介绍了三轴机械臂中三菱PLC控制的三个分别位于X,Y,Z三轴的伺服电机，通过控制它们的速度和位置，以达到三轴机械臂运动控制效果，然后实现机械臂的基本功能。本文主要针对三轴机械臂的机械结构和控制程序进行了设计。通过机械臂的惯量的计算还有滚珠丝杠的选择，设计了本次的毕业设计机械部分主体。在此次的毕业设计中针对无刷直流伺服电机进行了详细的分析，包括无刷直流伺服电机的工作原理，数学模型和PWM调制方式。 在硬件设计和程序设计方面，充分考虑生产的实际要求，做出合理的设计，并且列出变量表，和建立数据块。在程序中我主要设计了三轴机械臂的手动操作模式，自动循环模式和回原点模式，满足基本的生产要求。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械臂发展概述 1
1.1.1多轴机械臂及其发展 1
1.1.2 多轴运动控制器及其发展 1
1.1.3 多轴运动控制器在我国的发展应用以及前景 3
1.2 研究和设计内容 3
第二章 三轴机械臂机械结构设计 4
2.1 三轴机械臂的设计方法 4
2.1.1 机械臂的选择和分析 4
2.1.2 直角坐标系机械臂的设计方法 4
2.2滚珠丝杠的选择 6
2.3三轴机械臂的惯量的计算 7
第三章 控制系统硬件设计与选型 9
3.1无刷直流伺服电机的设计与选型 9
3.1.1无刷直流电机的简介 9
3.1.2无刷直流电机的工作原理 9
3.1.3无刷直流电机的数学模型 10
3.1.4无刷直流电机的PWM调制方式 11
3.2伺服电机的选择 12
3.2.1伺服电机考虑的问题 13
3.3 PLC输入和输出 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
点分配表 14
3.4 整体接线图 15
第四章 控制系统软件系统设计 17
4.1通用部分梯形图设计 17
4.2手动操作梯形图设计 19
4.3返回原位梯形图设计 20
4.4自动状态梯形图设计 21
第五章 系统调试和改进 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
附录A 29
第一章 绪论
1.1机械臂发展概述
1.1.1多轴机械臂及其发展
随着机电一体化在工业，军事等各个领域的应用，机械设备的自动控制的比例越来越大也越来越重要。由于工作的需要，人们在生产和生活中尝尝会遇到腐蚀，高温，低温，空间狭窄等各种问题，增加了工人的劳动强度，甚至有可能会危害到工人的生命。在这样的实际情况下，多轴机械臂应运而生。
机械臂是工业机器人系统中的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。在二十世纪末与二十一世纪初这几十年的时间中，多轴机械臂迅猛发展，现在已经可以在点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域上完成应用。
1.1.2 多轴运动控制器及其发展
随着科学技术的不断发展，运动控制技术在各个领域以及各个方面发挥着越来越重要的作用。目前工业上主流的运动控制器是DCS,PLC以及单片机。
单片机虽然有着价格便宜的巨大优势，但是在工业的恶劣环境中，适应性不好，抗干扰能力和稳定性表现的都很差，维修和维护也不方便，实时监测效果差。
PLC中文名可编程逻辑控制器，功能强大，使用面广，可靠性高，抗干扰能力强，可以适应各种不同的恶劣环境，但是相对的，PLC的价格也往往比单片机贵太多太多。所以，在工业上追求稳定的要求下，PLC的使用规模也是越来越大。
DCS中文名分布式控制系统。其主要任务是将危险分散，数据集中。因此，DCS的发展过程中，通过不断的运用计算机技术，通讯技术和控制技术，以此建立一个完整的集散控制体系，给用户一个具有安全性，完整性，可靠性，可拓展性和高效性的解决方案。
纵观PLC市场群星璀璨:世界上有200多家公司生产400多个品种系列的PLC，应用在石油石化，电力，冶金，包装，材料，造纸，市政和汽车等各个行业。
文献[1] 张振国《PLC技术在电气工程自动化控制中的应用》讲到PLC特点为:第一是其抗干扰的能力比较强第二是具有着很好的实用性;第三是其应用的范围十分的广泛;第四是在维修的过程中很方便:第五体积相对来说比较小。对于电气自动化控制来说，PLC是一门先进的技术，可以有效解决传统中电气自动化控制所存在的一些问题，更好的解放劳动力。
文献[2] 王小玲《工业机械手的PLC控制》分析了PLC和单片机相比较在机械手控制上的优势。工业机械手的电气控制系统是通过控制气缸电磁换向阀来实现不同的动作的,有采用单片机控制的,也有采用可编程控制器来控制的。若采用单片机控制.由于电磁阀的工作电压高于单片机的+5伏电源,所需驱动电流较大,因而须设计功率接口电路,还要进行抗干扰及其可靠性的设计。采用PLC控制,则无需考虑上述问题。PLC以其高可靠性、灵活性好、丰富的IO接口等优点而被广泛应用于各种自动化生产设备和生产线上。
文献[3]胡志刚《基于三菱PLC的伺服电机控制系统设计》，由于直接由PLC控制伺服驱动器,因此PLC的输出类型必须为晶体管输出型,本文选择三菱公司FX3U32MT型的PLC,具有原点搜索的功能指令,并且内置独立3轴最高100KHz的定位功能,可以同时控制3个轴的运动,完全满足伺服控制系统的定位控制要求。
文献[4] 滕林《三菱PLC通信方法的研究》，三菱FX系列PLC支持以下5种通信方法:
(1)计算机链接:用计算机作主机,通过RS485接口与16台PLC进行组网,采用专用通信协议,在计算机与PLC之间交换数据,包括硬件连接、通信参数设置、通信格式等。
(2)N网络:可以将8台PLC构成网络,无需协议,自成网络。
(3)并联:可以将2台PILC并联成网络,无需协议,自成网络。
(4)PLC用RS指令发送、接收数据,与计算机等设备进行无协议通信交换数据。
(5)通过PLC编程接口,与计算机等设备进行数据交换,这种方法建立在MCGS工业组态软件基础上,开发出计算机监控系统。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械臂发展概述 1
1.1.1多轴机械臂及其发展 1
1.1.2 多轴运动控制器及其发展 1
1.1.3 多轴运动控制器在我国的发展应用以及前景 3
1.2 研究和设计内容 3
第二章 三轴机械臂机械结构设计 4
2.1 三轴机械臂的设计方法 4
2.1.1 机械臂的选择和分析 4
2.1.2 直角坐标系机械臂的设计方法 4
2.2滚珠丝杠的选择 6
2.3三轴机械臂的惯量的计算 7
第三章 控制系统硬件设计与选型 9
3.1无刷直流伺服电机的设计与选型 9
3.1.1无刷直流电机的简介 9
3.1.2无刷直流电机的工作原理 9
3.1.3无刷直流电机的数学模型 10
3.1.4无刷直流电机的PWM调制方式 11
3.2伺服电机的选择 12
3.2.1伺服电机考虑的问题 13
3.3 PLC输入和输出 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
点分配表 14
3.4 整体接线图 15
第四章 控制系统软件系统设计 17
4.1通用部分梯形图设计 17
4.2手动操作梯形图设计 19
4.3返回原位梯形图设计 20
4.4自动状态梯形图设计 21
第五章 系统调试和改进 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
附录A 29
第一章 绪论
1.1机械臂发展概述
1.1.1多轴机械臂及其发展
随着机电一体化在工业，军事等各个领域的应用，机械设备的自动控制的比例越来越大也越来越重要。由于工作的需要，人们在生产和生活中尝尝会遇到腐蚀，高温，低温，空间狭窄等各种问题，增加了工人的劳动强度，甚至有可能会危害到工人的生命。在这样的实际情况下，多轴机械臂应运而生。
机械臂是工业机器人系统中的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。在二十世纪末与二十一世纪初这几十年的时间中，多轴机械臂迅猛发展，现在已经可以在点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域上完成应用。
1.1.2 多轴运动控制器及其发展
随着科学技术的不断发展，运动控制技术在各个领域以及各个方面发挥着越来越重要的作用。目前工业上主流的运动控制器是DCS,PLC以及单片机。
单片机虽然有着价格便宜的巨大优势，但是在工业的恶劣环境中，适应性不好，抗干扰能力和稳定性表现的都很差，维修和维护也不方便，实时监测效果差。
PLC中文名可编程逻辑控制器，功能强大，使用面广，可靠性高，抗干扰能力强，可以适应各种不同的恶劣环境，但是相对的，PLC的价格也往往比单片机贵太多太多。所以，在工业上追求稳定的要求下，PLC的使用规模也是越来越大。
DCS中文名分布式控制系统。其主要任务是将危险分散，数据集中。因此，DCS的发展过程中，通过不断的运用计算机技术，通讯技术和控制技术，以此建立一个完整的集散控制体系，给用户一个具有安全性，完整性，可靠性，可拓展性和高效性的解决方案。
纵观PLC市场群星璀璨:世界上有200多家公司生产400多个品种系列的PLC，应用在石油石化，电力，冶金，包装，材料，造纸，市政和汽车等各个行业。
文献[1] 张振国《PLC技术在电气工程自动化控制中的应用》讲到PLC特点为:第一是其抗干扰的能力比较强第二是具有着很好的实用性;第三是其应用的范围十分的广泛;第四是在维修的过程中很方便:第五体积相对来说比较小。对于电气自动化控制来说，PLC是一门先进的技术，可以有效解决传统中电气自动化控制所存在的一些问题，更好的解放劳动力。
文献[2] 王小玲《工业机械手的PLC控制》分析了PLC和单片机相比较在机械手控制上的优势。工业机械手的电气控制系统是通过控制气缸电磁换向阀来实现不同的动作的,有采用单片机控制的,也有采用可编程控制器来控制的。若采用单片机控制.由于电磁阀的工作电压高于单片机的+5伏电源,所需驱动电流较大,因而须设计功率接口电路,还要进行抗干扰及其可靠性的设计。采用PLC控制,则无需考虑上述问题。PLC以其高可靠性、灵活性好、丰富的IO接口等优点而被广泛应用于各种自动化生产设备和生产线上。
文献[3]胡志刚《基于三菱PLC的伺服电机控制系统设计》，由于直接由PLC控制伺服驱动器,因此PLC的输出类型必须为晶体管输出型,本文选择三菱公司FX3U32MT型的PLC,具有原点搜索的功能指令,并且内置独立3轴最高100KHz的定位功能,可以同时控制3个轴的运动,完全满足伺服控制系统的定位控制要求。
文献[4] 滕林《三菱PLC通信方法的研究》，三菱FX系列PLC支持以下5种通信方法:
(1)计算机链接:用计算机作主机,通过RS485接口与16台PLC进行组网,采用专用通信协议,在计算机与PLC之间交换数据,包括硬件连接、通信参数设置、通信格式等。
(2)N网络:可以将8台PLC构成网络,无需协议,自成网络。
(3)并联:可以将2台PILC并联成网络,无需协议,自成网络。
(4)PLC用RS指令发送、接收数据,与计算机等设备进行无协议通信交换数据。
(5)通过PLC编程接口,与计算机等设备进行数据交换,这种方法建立在MCGS工业组态软件基础上,开发出计算机监控系统。
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