plc的多自由度机械臂控制系统设计
机械臂是近代工业制造领域中出现的一项新装备，其能够按照生产工艺的要求，通过遵循特定的程序完成工件的装卸和传递。本中介绍了国内外机械臂的发展现状，并且简要描述了机械臂的机械结构、运动方式和其电气控制原理。采用三菱FX2N系列的可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）设计五自由度机械臂的控制程序，其具有步进顺序控制功能，可以一定程度地提高设计程序的效率，使程序的调试、修改和阅读更加方便。本文设计的五自由度机械臂能够实现手臂升降、手臂伸展、手腕的俯仰、手腕的旋转以及基座的旋转。同时，机械臂可以实现手动操作、恢复原点、单步运行、单周期运转和循环运转。关键词 五自由度机械臂，控制系统，步进顺序控制，PLC
目 录
1 绪论 1
1.1 国内外机械臂的发展现状 1
1.2 本课题研究的意义 2
2 PLC的概述 3
2.1 PLC的基本组成 3
2.2 PLC的工作原理 4
2.3 PLC的发展趋势 4
3 机械臂的机械结构设计 5
3.1 机械臂的概述 5
3.2 五自由度机械臂的基本结构 5
3.3 各个机构的动力传动方式 7
3.4 机械臂的减速器 9
4 基于PLC的机械臂的控制方案 10
4.1 机械臂的运动方式 10
4.2 机械臂的驱动电机 11
4.3 PLC的选型 12
5 五自由度机械臂控制系统的硬件设计 13
5.1 机械臂的控制要求及梯形图的编程元件 13
5.2 PLC输入/输出的分配 14
5.3 机械臂控制系统的外部接线图和电气原理图 15
6 五自由度机械臂控制系统的软件设计 18
6.1 初始化程序 19
6.2 手动操作程序 21
6.3 回原点操作程序 23
6.4 自动运行程序 28
7 仿真实验验证 33
结论 39
致谢 40 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
参考文献 41
附录A 指令表 42
1 绪论
1.1 国内外机械臂的发展现状
机械臂的发展研究可追溯1940年，美国的国家实验室试制出一种用于搬运放射性原料的遥控型机械操作臂，其是主从型的控制系统。在1954年，美国的George Devo公司研发出世界上第一台通用机械臂，第一次将远程控制器和数控铣床的杆结构和伺服轴联合在一起，且其控制系统是示教型的。美国著名的联合控制公司于1962年，在上述方案的基础上，又成功的研制出了一台数控示教且再现性型机械臂，而且使用磁鼓作为储存装置构成其控制系统。在1978年，美国的尤曼特公司联合麻省理工学院和斯坦福大学一起，研发出一种UnimationViciarm型的应用于工业中装配作业的机械臂，而其是通过使用小型电子计算机来进行控制的[1]。
二战时期，德国开始研究机器人工业技术，当时德国的社会环境导致国家的劳动力短缺，而国民技术水平高，在一定程度上推动了机器人的发展。到了1970年，德国政府则使用国家行政手段为机器人发展开辟道路，开拓了广泛的应用机器人市场，促进了工业机器人技术的发展。在看到机器人技术对于工业自动化生产的积极作用后，德国政府在1985年提出了新的目标，即机器人要向高级的且带感觉的智能型机器人发展的目标。如今，德国的智能机器人技术已经处于国际先进水平。
苏联是在上世纪50年代后半期，开始从理论上和实践中研究工业机器人技术，同时并开展机器人样机的研究工作的的。1968年，苏联研发了一台用于深水作业的机器人，并于1971年成功的试制出了用于工厂作业的万能型机器人。日本在1960年末正是处在国内经济高速发展的时期，在1968年成功研制出了第一台川崎机器人。当时日本的劳动力十分短缺，机器人的出现使得工业界非常欢迎且一片振奋。在这样的社会环境下，使得日本的工业机器人技术迅速发展，短短的十几年，到1980年期间，日本已经一跃成为“机器人王国”，其工业机器人的研究与应用方面上均处于世界先列。
我国机器人的开发和研究可追溯到六十年代中期，但工业机器人的发展比较缓慢。近几年来，我国开始从机器人强国引进机器人技术，经过不断研究成功试验了6000m以下的深水作业机器人，不断缩小与国际先进水平的差距。同时我国政府提出了我国工业机器人可持续发展的新的战略目标，要推动工业机器人的产业化发展，贯彻落实“中国制造2025”，实现我国制造业的升级。德国总理默克尔在2015年10月访华期间，中德两国共同宣布，将会大力推进“中国制造2025”和德国“工业4.0”的战略对接[2]。通过进一步的提高机器人的智能性，推到工业的柔性化生产，实现信息技术和制造技术深度融合的数字化、智能化制造，共同促进新工业革命和业态。
当前在工业制造中应用的机器人大多数还属于第一代机器人，其控制的方式为开环式，且没有具备识别物体和位置的能力。第一代机器人运动作业要依靠人工来进行控制，其优化改进的主要方向是提高工作的精度和降低制造的成本；第二代机器人目前还在研发中，其具有微型电子计算机的控制系统，能够实现机器人的“看”和“摸”；在第三代机器人的规划中，其同计算机设备一直保持联系，并且可以自主地完成各种作业。
1.2 本课题研究的意义
机械臂不仅具备对工作环境的分析判断和快速反应的能力，即其扩展和延伸了人的大脑和手足的功能；还具有可以在各种恶劣环境下作业的功能，可以替代人类在危险、有害和高热等恶劣环境中劳动；还具备可以长时间的持续作业且工作精确性高的能力，即能够代替人们完成单调且重复的工作，从而提高生产效率，保证产品质量，同时加快工业化发展的步伐。机械臂在提高工作效率、促进工业制造的柔性化和增强企业和国家的竞争力等诸多方面，占有举足轻重的地位，因此对机械臂的不断研究具有重要的意义。
机械臂是近代工业制造界出现的一项自动化生产装备，是工业机器人的重要的组成部分之一。机械臂因为其精确性的作业和可以适应各种工作环境的优点，所以在自动化制造领域有着广阔的应用前景，促使人们对其十分关注并不停地进行研究。随着机械臂控制理论和技术的不断发展，各种各样机械臂的轨迹跟踪和轨迹规划，形成了众多不同的控制策略。而在人们研究机械臂的控制中PLC 经常会被应用到，所以学习和研究PLC对机械臂的控制对于机械臂的发展有着十分重要的意义。
目 录
1 绪论 1
1.1 国内外机械臂的发展现状 1
1.2 本课题研究的意义 2
2 PLC的概述 3
2.1 PLC的基本组成 3
2.2 PLC的工作原理 4
2.3 PLC的发展趋势 4
3 机械臂的机械结构设计 5
3.1 机械臂的概述 5
3.2 五自由度机械臂的基本结构 5
3.3 各个机构的动力传动方式 7
3.4 机械臂的减速器 9
4 基于PLC的机械臂的控制方案 10
4.1 机械臂的运动方式 10
4.2 机械臂的驱动电机 11
4.3 PLC的选型 12
5 五自由度机械臂控制系统的硬件设计 13
5.1 机械臂的控制要求及梯形图的编程元件 13
5.2 PLC输入/输出的分配 14
5.3 机械臂控制系统的外部接线图和电气原理图 15
6 五自由度机械臂控制系统的软件设计 18
6.1 初始化程序 19
6.2 手动操作程序 21
6.3 回原点操作程序 23
6.4 自动运行程序 28
7 仿真实验验证 33
结论 39
致谢 40 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
参考文献 41
附录A 指令表 42
1 绪论
1.1 国内外机械臂的发展现状
机械臂的发展研究可追溯1940年，美国的国家实验室试制出一种用于搬运放射性原料的遥控型机械操作臂，其是主从型的控制系统。在1954年，美国的George Devo公司研发出世界上第一台通用机械臂，第一次将远程控制器和数控铣床的杆结构和伺服轴联合在一起，且其控制系统是示教型的。美国著名的联合控制公司于1962年，在上述方案的基础上，又成功的研制出了一台数控示教且再现性型机械臂，而且使用磁鼓作为储存装置构成其控制系统。在1978年，美国的尤曼特公司联合麻省理工学院和斯坦福大学一起，研发出一种UnimationViciarm型的应用于工业中装配作业的机械臂，而其是通过使用小型电子计算机来进行控制的[1]。
二战时期，德国开始研究机器人工业技术，当时德国的社会环境导致国家的劳动力短缺，而国民技术水平高，在一定程度上推动了机器人的发展。到了1970年，德国政府则使用国家行政手段为机器人发展开辟道路，开拓了广泛的应用机器人市场，促进了工业机器人技术的发展。在看到机器人技术对于工业自动化生产的积极作用后，德国政府在1985年提出了新的目标，即机器人要向高级的且带感觉的智能型机器人发展的目标。如今，德国的智能机器人技术已经处于国际先进水平。
苏联是在上世纪50年代后半期，开始从理论上和实践中研究工业机器人技术，同时并开展机器人样机的研究工作的的。1968年，苏联研发了一台用于深水作业的机器人，并于1971年成功的试制出了用于工厂作业的万能型机器人。日本在1960年末正是处在国内经济高速发展的时期，在1968年成功研制出了第一台川崎机器人。当时日本的劳动力十分短缺，机器人的出现使得工业界非常欢迎且一片振奋。在这样的社会环境下，使得日本的工业机器人技术迅速发展，短短的十几年，到1980年期间，日本已经一跃成为“机器人王国”，其工业机器人的研究与应用方面上均处于世界先列。
我国机器人的开发和研究可追溯到六十年代中期，但工业机器人的发展比较缓慢。近几年来，我国开始从机器人强国引进机器人技术，经过不断研究成功试验了6000m以下的深水作业机器人，不断缩小与国际先进水平的差距。同时我国政府提出了我国工业机器人可持续发展的新的战略目标，要推动工业机器人的产业化发展，贯彻落实“中国制造2025”，实现我国制造业的升级。德国总理默克尔在2015年10月访华期间，中德两国共同宣布，将会大力推进“中国制造2025”和德国“工业4.0”的战略对接[2]。通过进一步的提高机器人的智能性，推到工业的柔性化生产，实现信息技术和制造技术深度融合的数字化、智能化制造，共同促进新工业革命和业态。
当前在工业制造中应用的机器人大多数还属于第一代机器人，其控制的方式为开环式，且没有具备识别物体和位置的能力。第一代机器人运动作业要依靠人工来进行控制，其优化改进的主要方向是提高工作的精度和降低制造的成本；第二代机器人目前还在研发中，其具有微型电子计算机的控制系统，能够实现机器人的“看”和“摸”；在第三代机器人的规划中，其同计算机设备一直保持联系，并且可以自主地完成各种作业。
1.2 本课题研究的意义
机械臂不仅具备对工作环境的分析判断和快速反应的能力，即其扩展和延伸了人的大脑和手足的功能；还具有可以在各种恶劣环境下作业的功能，可以替代人类在危险、有害和高热等恶劣环境中劳动；还具备可以长时间的持续作业且工作精确性高的能力，即能够代替人们完成单调且重复的工作，从而提高生产效率，保证产品质量，同时加快工业化发展的步伐。机械臂在提高工作效率、促进工业制造的柔性化和增强企业和国家的竞争力等诸多方面，占有举足轻重的地位，因此对机械臂的不断研究具有重要的意义。
机械臂是近代工业制造界出现的一项自动化生产装备，是工业机器人的重要的组成部分之一。机械臂因为其精确性的作业和可以适应各种工作环境的优点，所以在自动化制造领域有着广阔的应用前景，促使人们对其十分关注并不停地进行研究。随着机械臂控制理论和技术的不断发展，各种各样机械臂的轨迹跟踪和轨迹规划，形成了众多不同的控制策略。而在人们研究机械臂的控制中PLC 经常会被应用到，所以学习和研究PLC对机械臂的控制对于机械臂的发展有着十分重要的意义。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/862.html
