機(jī)械臂PLC控制器的研究

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1、機(jī)械臂PLC控制器的研究機(jī)械臂PLC控制器的研究緒論機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)例之一，幾乎具有機(jī)電一體化系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，既具有操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置，又具有速度快、精度高、柔性好等特點(diǎn)。PLC作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)，配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。彩色玻殼的生產(chǎn)線上有不同類型的機(jī)械臂，其中在移栽和碼垛上應(yīng)用最多。本設(shè)計(jì)針對(duì)兩點(diǎn)之間移栽機(jī)械臂的PLC控制，機(jī)械臂的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸分別用一個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；根據(jù)抓取對(duì)

2、象為玻璃品，手爪采用真空式吸盤，由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁閥控制。機(jī)械臂的任務(wù)是要完成上升/下降、左行/右行、吸取/松開的動(dòng)作，為滿足不同的需求，其操作分手動(dòng)單步操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分單周期操作和連續(xù)操作。這是利用限位開關(guān)定位的控制，本文還研究了有恒定速度段的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，及可尋跡運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂的PLC控制方法，可作為以后擴(kuò)展功能使用。第一章工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的概述工業(yè)機(jī)器人作為最典型的機(jī)電控制系統(tǒng)實(shí)例之一，幾乎具有機(jī)電一體化系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，既具有操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置，又具有速度快、精度高、柔性好等特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由三大部分

3、六個(gè)子系統(tǒng)組成。三大部分是：機(jī)械部分、傳感部分、控制部分。六個(gè)子系統(tǒng)是：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人的一種形式，是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械臂53機(jī)械臂PLC控制器的研究可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，已有不少操作機(jī)械臂廣泛應(yīng)用于工廠的各個(gè)生產(chǎn)過程，尤其是那些人力所限和人所不及的外部環(huán)境或危險(xiǎn)場所，將是機(jī)械臂進(jìn)一步發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域。第一節(jié)機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)機(jī)

4、械臂的機(jī)械形式多種多樣，典型機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征是用其坐標(biāo)特性來描述的。機(jī)械臂的坐標(biāo)形式有:直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。如圖1所示。一直角坐標(biāo)式機(jī)械臂直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸，通過直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機(jī)械臂的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，容易編程，負(fù)載范圍大,采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后速度高、定位精度高，在X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)方向上的運(yùn)動(dòng)沒有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。但是由于直角坐標(biāo)式機(jī)械臂必須采用導(dǎo)軌,結(jié)構(gòu)尺寸大但有效工作范圍小,移動(dòng)部件的慣量比較大

5、,增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗.二圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂的空間位置機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)軸構(gòu)成，具有一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移自由度，其動(dòng)作空間呈圓柱形。圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)，升降，手臂伸縮。其優(yōu)點(diǎn)是除了簡單的抓－放作業(yè)外還可以用在許多其他領(lǐng)域，增加了其通用性。另外結(jié)構(gòu)緊湊，在垂直和徑向方向有兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)，在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善了動(dòng)力學(xué)負(fù)荷。但圓柱式坐標(biāo)機(jī)械臂的手臂不能抵達(dá)底部，減少了機(jī)器人的工作范圍。主要用于重物的搬運(yùn)、裝卸等。三球面坐標(biāo)機(jī)械臂53機(jī)械臂PLC控制器的研究球面坐標(biāo)（極坐標(biāo)

6、）機(jī)械臂具有較大的工作范圍，主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度：繞垂直軸線，繞水平軸線，手臂伸縮。其實(shí)際工作范圍的形狀是不完全的球缺，故設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小于直角坐標(biāo)和柱面坐標(biāo)機(jī)器人，但仍大于多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。四關(guān)節(jié)式機(jī)械臂關(guān)節(jié)式機(jī)械臂由多個(gè)旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組合而成。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動(dòng)作最接近人的動(dòng)作，對(duì)噴漆、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。不少著名的機(jī)器人都采用了這種型式，其擺動(dòng)方向主要有鉛垂方向和水平方向兩種，因此這類機(jī)器人又可分為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)緊湊，工作

7、范圍大而安裝占地面積小，具有很高的可達(dá)性，其手部可以進(jìn)入一個(gè)封閉的空間進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)機(jī)器人就不能進(jìn)行此類作業(yè)；因?yàn)闆]有移動(dòng)關(guān)節(jié)，不需要導(dǎo)軌，慣量小，可靠性高；所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能耗小。但是其肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的，當(dāng)大小臂舒展成一直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但其剛性低；機(jī)器人手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。53機(jī)械臂PLC控制器的研究圖1機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)形式第二節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制方式一控制方式工業(yè)機(jī)械臂控制結(jié)構(gòu)的選擇，是由機(jī)械臂所執(zhí)行的任務(wù)決定的，對(duì)不同類型的機(jī)器人采用不同的控制綜合方法。按照運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象的不同，將機(jī)械臂控制分為位置

8、控制、速度控制、力控制（包括位置/力混