机械手控制系统设计

机械手控制系统设计（共12篇）

机械手控制系统设计 篇1

0 引言

在现代化生产制造中,作为一种大型的精密测量仪器,三坐标测量仪的应用越来越广泛。它不仅自动化程度高,而且精度高,在各个领域大显身手,得到了很高的重视和极大的应用。

正是由于三坐标测量仪逐渐成为现代化生产制造的重要设备,导致一些几何形状十分复杂的工件必须通过三坐标测量仪才能完成精度测试工作,问题也随之产生,那就是如何将这些工件快速地、准确地,高效地放置在三坐标测量仪上,是亟待解决的难题。

为了提高效率,节省成本,本文针对三坐标测量仪设计了装配机械手,可以大大减少对工件测量装卡的时间,全面提高测量效率,提升整体系统的可靠性。尤其是对于一些外形尺寸较大,重量较重,单人无法完成的工况,装配机械手具有无可比拟和不可替代的优势。

1 总体功能设计

本文所开发的装配机械手需要把待测量的工件从初始的停放位置抓起,平稳的运送到三坐标测量仪处,之后准确地将工件放待装卡位置。

1.1 功能需求

装配机械手的功能需求如下:

1)因为工件停放位置未知,装配机械手能够自动寻址并且携带工件沿路径移动,运动平稳,转向灵活;

2)装配机械手对于工件的夹紧力既不能破坏工件,又要避免因为夹紧力不够而导致工件掉落的情况;

3)装配机械手可以实现垂直方向的平稳升降,可以在任意位置停止和启动;

4)工件转移的所有环节均为自动完成,手工只需要输入运输路径即可;

5)装配机械手由于路径无法事先规划,具有不确定性,故无法采用线缆供电,需要使用直流电机和直流电源;

6)基于三坐标测量仪一般为气缸卡具,故工件的放置精度应不大于2mm,装配机械手需要有较高的定位对准精度。

1.2 机械机构设计

根据功能需求,本文设计了一台应用于三坐标测量仪的装配机械手,其机械部分的主要结构示意图如图1所示[1]。

1)机械结构主要包括定位地板,车架、垂直运动组件和柔性夹具:

2)车架底部采用了一个万向轮和两个非万向轮,保证转向灵活,行进稳定;

3)车轮材料选用橡胶,摩擦力小,承重高,承载2t,耐冲击耐磨损;

4)车架采用45钢方钢焊接而成,重量轻,刚度好;

5)垂直运动组件可以沿立柱上下移动并在任意位置停止和随时启动;

6)柔性夹具通过连接套与垂直运动组件相连,可以在立柱上上下移动,通过控制系统保证运动平稳,定位精准;

7)定位地板在地板上铺设的导轨来完成最终阶段的定位导向,保证最终机械手的放置精度。

整个机械手的工作过程如下:

1)机械手根据指令寻址,找到工件,计算高度,通过电机驱动丝杠,进而驱动立柱上的滑套,最终完成柔性夹具在垂直方向上的定位,并进一步通过柔性夹具夹紧工件;

2)牢固夹紧工件后,按照预定轨迹前往三坐标测量仪需要放置工件的位置;

3)在路径后端对应的地板上铺设导轨,定位地板通过导向槽完成与导轨的对接,实现路径后端的精确导向;

4)计算放置高度,通过精确控制将工件放置在固定位置,用气缸卡具夹紧工件,转入测量步骤。

1.3 驱动电机设计

由于工件重量较重,所以需要较大的启动扭矩,因此设计中选用了直流伺服电机,其输出扭矩大、速度控制非常灵活,具备以下优点[2]:

1)适应性强,强抗干扰性;

2)检测精准,闭环控制;

3)误差环节少,系统精度高;

4)响应时间短,自动化程度高。

最终驱动电机选用了RTX-PXT01型直流伺服电机,具体参数如表1所示[3],驱动方式采用DSG驱动,可以很方便实现各项控制。

由于电机所带动的工件和柔性夹具质量较重,上升距离为900mm,丝杠的导程h=3mm是固定的,这就需要输出扭矩一定得同时尽可能增大电机的转速。根据X-PXT01型直流伺服电机的参数,进行驱动力矩的计算,假设工件和柔性夹具质量共计100kg,g=10N/KG,重量=1000N,假设丝杠的效率η=0.1,驱动力矩M为:

可以发现,只要驱动力矩大于4.77Nm即可实现要求,所以电机选择是正确的,其驱动力矩为5Nm,转速83t/min,工件的上升过程所消耗的时间t为:

1.4 控制系统设计

因为本次设计的运动路径较为简单,无需精密伺服控制,所以采用单片机控制方案,系统控制流程图如图2所示。

由于采用可编程单片机作为主控制器,因此通过更改脉冲周期/宽度寄存器的数值,就可以改变DSG的输出占空比,进一步控制电机的转数,控制原理如图3所示。

2 控制系统详细设计

2.1 硬件电路设计

单片机控制电路承载着数据的采集、传递、处理等任务,同时对CPLD进行控制,使得整个系统运转正常。硬件电路结构如图4所示。

2.1.1 C8051F340单片机

本系统中使用的单片机型号是C8051F340,它完全集成了混合信号系统级的NCC芯片,数字I/O引脚一共有36个,C8051F340的内部原理图如图5所示[4]。

与标准的8051单片机相比,C8051F340系列单片机在CPU内核上进行了改进,提高了整体性能。与标准的8051只有5个中断源相比,其扩展的中断系统可以向CIP-51提供20个中断源,执行效率大幅度提高。NCC有多达9个复位源,每个复位源都可以随时通过用软件禁止。NCC的内部具备独立的时钟发生器,复位之后作为系统时钟并且可以随时根据需要切换至外部振荡器,这种时钟切换功能非常有用,因为它可以实现NCC从一个低频率外部晶体源切换到高速(大于20MHz)内部振荡器,时钟及复位系统如图6所示。

本系统所涉及的电源信号有较多种类,有三种,分别是+3.3V、+12V和+48V。其中,+12V和+48V都由+12V蓄电池供电。+3.3V来源于一块DC-DC转换芯片(MIC29302BU)提供。如图7所示,将+12V蓄电池的输入电压转换为+3.3V的输出电压。

转换芯片MIC29302BU能够驱动的电压最小值0.8V,最大值为26V,在这里我们取12V,输出电压Vout=1.24×(1+R1/R2),在这里,1.24是参考电压,从公式中我们可以知道可以通过设定R1和R2的值来满足输出电压从1.25V平滑跃迁到26V的需求。本文中,R1=36×103Ω,R2=22×103Ω,输出电压为3.26V,满足3.3V的需要。

2.1.2 CPLD可编程逻辑器件

可编程逻辑器件(英文名Programmable Logier Device,PLD)是上世纪60年代逐渐发展起来的一种逻辑器件。它属于PLC的一种,它不仅简化了设计过程,提高了性价比,提升了系统可靠性,而且给设计方式带来了颠覆性的革命[5]。

CPLD是上世纪90年代出现在线可编程技术之后发展起来的,它的前身是EPLD,其采用CP9CMOS工艺制作,与EPLD相比,它改进了逻辑编程单元,改造了I/O单元,增加了内部连线。本系统中使用的EPM240的参数、主要功能和优势如表2和表3所示[6]。

2.1.3 电机控制系统

DSG控制主要是通过控制脉冲宽度的大小来获取所需要的波形。

控制系统理论中有一个重要的理论,面积等效原理:如果窄脉冲的面积相等但是形状不同,并不影响其在惯性环节上的效果。如图8所示的三个脉冲虽然形状不同,分别为矩形,三角形和正弦形,但是面积都是1,其输出响应相同,当脉冲变为单位脉冲函数δ(t)时,环节响应就是脉冲过渡函数。

DSG控制示意图如图9所示,S作为控制开关可以反复地接通和断开,当其接通时,电源Us施加到电机两端,电机开始储能;当其断开时,没有了能量输入,二极管VD释放电感所存储的能量,电机继续工作。

电压平均值Ua表示如下:

公式中,ton为开关工作时间,T为开关工作周期,a为占空比,通过改变a电压平均值就会随之变化,进而控制了转速。

2.2 软件设计

系统控制软件是整个系统的大脑和核心,直接决定了系统功能能否正常实现。本系统的系统软件包括:C8051F340单片机程序模块和CPLD控制程序模块两大部分。

2.2.1 单片机软件设计

本系统软件采用了“模块化”方法,其优点是:单个功能模块设计调试完成之后,可以实现模块共享;不需要全局的复杂修改,只需要修改局部就可以实现整体功能的变化。

本系统主程序模块设计了手动操作和自动操作两部分,图8是本系统中自动操作模块的流程示意图。

2.2.2 CPLD软件设计

CPLD的主要作用是在单片机和外部电路之间搭建沟通桥梁,完成外部信号处理。在本系统中,CPLD的主要功能有:按键检测控制、上下机数据传输控制、内外串口通信控制、DSG控制、接近开关控制、充放电切换控制。以下主要介绍按键检测模块、RS-422协议模块、通信模块和DSG控制模块[7,8]。

1)按键检测模块

因为键程的关系,按键的同时可能有产生抖动,因此会发出错误的指令。本系统的按键信号是由CPLD采集的,所以需要加入按键防抖程序,这样可以不必使用硬件电路防抖,降低成本,按键防抖代码如下:

根据统计,人手敲击按键时间为300ms,而电路可能发生抖动的时间间隔远小于300ms,因此将检测间隔设置为100ms,既能实现预期,又不会误判。

2)RS-422协议模块

本系统采用了RS-422协议传输,传输协议子程序模块代码如下:

以上程序中,我们设定开始的标志位为“*”,结束的标志位为“!”,通过两个标志位的有无来判断传输状态究竟是开始还是结束。

3)通信模块

PCRT是一种广泛应用的串行传输接口,它可以实现通用异步数据收发,结构示意图如图9所示,主要功能是将数据进行并串互换。

数据传输代码如下:

这里采用的通信模块是RS-422异步通讯格式,其工作格式分为3部分:第一部分是开始位,步长1位;第二部分是数据位,步长8位;第三部分是结束位,步长1位;总的波特率为2150B/S。工作流程为首先检测起始位,每隔一段时间进行采样,通过判断整理后统一输出。

4)DSG控制模块

DSG调速系统由单片机和CPLD共同控制,CPLD负责发出DSG信号,单片机负责控制启停,每次启停都会产生加速度信号。由CPLD发出DSG信号的代码如下:

3 系统试验

本系统设计了专门控制控系统动作的控制面板,具有手动和自动两种操作模式。

手动操作模式:选择电机速度,通过动作按钮的开合,完成系统的启停。

自动操作模式:本系统通过接近开关来实现,其量程为2mm,当有金属接近接近开关且距离小于2mm时,接近开关发出动作信号,系统根据信号完成相关动作。

除此以外,本研究对速度调节、方向转换等功能进行了多次试验,验证了系统的正确性,证明了系统安全可靠。

4 结论

本文主要对装配机械手的控制系统设计进行了深入的研究,首先根据功能需求,选择了驱动电机和控制方法,采用了DSG调速系统;其次在硬件电路上选择了单片机C8051F340和可编程逻辑器件CPLD完成对系统的驱动、传输、管理等工作;在软件控制上采用DSG调速系统辅助RS-422通信接口,设计了手动和自动操作两种模式;最后,对整个控制系统进行了试验验证,事实证明该系统达到了预期技术指标,可以广泛的应用到三坐标测量仪的工业领域中。

摘要：近年来现代制造技术发展势头迅猛,三坐标测量仪已经成为了自动化生产中不可或缺的一种重要设备。如何将复杂加工件放置在测量台上是本文研究的主要问题,主要采用的措施为通过开发机械手及其控制系统来实现,本文主要对控制系统进行了深入研究。本文根据主要功能要求,首先进行了总体功能设计。在硬件电路设计上,通过单片机C8051F340和可编程逻辑器件CPLD联合作用,实现驱动通信管理功能。系统软件设计方面,通过DSG调速系统并且依托于RS-422串行通信接口来实现手自一体操作系统。最后,通过试验验证系统达到预期目标,可以广泛的应用到工业生产当中。

关键词：机械手,单片机,控制系统

参考文献

[1]李建,大型零件误差测量系统及运输车设计开发[D].北京航空航天大学,2005.

[2]张强,基于单片机控制直流伺服系统算法研究[D].上海海事大学,2003.

[3]冯静芬,现代控制系统设计与制造[M].北京工业大学出版社,1999.

[4]潘丽云,施圣杰,C8051高速单片机原理应用[M].北京大学出版社,2009.

[5]宋世杰,王再成,CPLD技术与研究应用[M].哈尔滨工业大学出版社,2002.

[6]张志贤,Altra可编程逻辑控制器编程大全[M].北京理工大学出版社,1999.

[7]Matt Nathanson,Avril Lavigne,Implement of a BasicDSG Power,IEEE Power Electronics Conference,Mississippi,July1999.

[8]李晓晖,王坤,PGA/CPLD设计系统制造[M].机械工业出版社,2001.

机械手控制系统设计 篇2

题

目 基于PLC的六轴机械手控制系统设计

班

级

2010工业电气

指导教师

白

龙

牡丹江师范学院

2013 年5月30日 电气控制与PLC课程设计指导书

课程名称：基于PLC的六轴机械手控制系统设计 学时数：2周

学分数：3.5（本门课程）

开课院、系（部）、教研室：工学院 电气工程及其自动化教研室 执笔人：白 龙 编写时间：2014.5.30

一、设计目的

（1）掌握六轴机械手控制的工作时序和继电器控制电路。（2）掌握经验法设计梯形图的一般方法。

二、设计任务

设计基于PLC的六轴机械手控制系统的继电器控制电路和梯形图。

三、基本内容与要求（1）设计I/O及内存表；（2）设计工作时序图；（3）设计继电器控制电路；（4）设计梯形图。

四、设计资料及有关规定

1.设计过程可参考教材P317第九章。2.PLC采用欧姆龙公司的CP1H。

五、设计成果要求

设计论文

六、物资准备

1.到图书馆和相关网站查阅相关资料。2.到可编程控制器实验室了解实验设备。

七、主要图式、表式

各继电器控制电路和梯形图要求用绘图软件画出。

八、时间安排

2014.6.1 设计动员，发放设计任务书 2014.6.2-2014.6.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划 2014.6.4-2014.6.10 确定设计方案、实验、编写设计说明书 2014.6.11-2014.6.13 完成设计，交指导教师审阅 2014.6.14 成绩评定

九、考核内容与方式

考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。

十、参考书目

机械手控制系统设计 篇3

机械手主要由手指、手腕、手臂等运动部件组成，其结构见图1。它有手臂升降气缸A、手臂伸缩气缸B、夹紧气缸C、手腕回转气缸D、手臂摆动气缸E气动元件及辅助元件。其工作方式的选择可以很方便地在操作板上表示出来，如图2。

1.现场器件与PLC内部等效继电器地址编号对照表(见表1)

2．动作顺序执行表

该机械手的控制要求：手动启动后，能从第一个动作开始自动延续到最后一个动作，动作顺序见表2。

3．可编程控制器的选型

由系统的输入输出选择可知，输入信号全部为开关量以“三菱”FX0N-40MR型可编程控制器为例，其输入点为24点，输出点为16点，继电器输出方式，电源为AC100～240V，50/60HZ，可直接采用原控制电源AC 24V，满足要求。

二、程序设计

1．系统的组成

操作系统包括回原点程序 、手动单步操作程序和连续操作程序，如图4。

（1）回原位程序如图 5所示。用S10～S14作回零操作元件。应注意，当用S10～S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

（2）手动单步操作程序如图6 所示。

（3）自动操作程序如图7所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动上升Y0，当到达上限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1手臂正摆，当到达正摆限位使行程开关X2接通，状态转移到S22，驱动Y2手臂伸出，当到达伸出限位使行程开关X3接通，状态转移到S23，驱动Y3置位夹紧，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力，同时夹紧指示灯亮。当T0接通，状态转移到S24，驱动Y4手腕正转，当转到正转限位，X4接通，状态转移到S25， 驱动Y3复位放松，夹紧指示灯灭，电磁力放松，为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26，驱动Y5手腕反转， X5接通，状态转移到S27，驱动Y5 手臂反摆。X6接通，状态转移到S30 驱动Y7缩进，X7接通，状态转移到S31驱动Y10下降， X10接通，返回初始状态。

2．PLC与现场器件的实际安装接线图

（I/O 端口分配接线图见图8）

机械手控制系统设计 篇4

气动搬运机械手是在生产过程中采用机电结合来模拟人手动作的机械设备, 它可以代替人手搬运笨重物体或在高温、有毒、高粉尘及易燃易爆等恶劣的环境下工作。原机械手采用单片机控制系统由于所需驱动电流较大因而必须设计功率接口电路, 还要进行抗干扰及其可靠性的设计[1]。而使用可编程控制器PLC的自动控制系统不需外接电路, 其体积小、抗干扰能力强、可靠性高、故障率低、动作精度高[2]。

本设计采用PLC, 通过对机械手结构、气动、电气和PLC控制系统的综合设计, 使该模型能够实现工件搬运的自动、单周循环远程控制, 能够满足对搬运工作提高自动化程度及生产安全性的要求, 具有一定的实用性。

该机械手选用了三菱FX2N-48MR作为控制器, 程序的编写修改方便, 后期的维护也较方便。用气源选作驱动[3], 控制比较方便, 其使用效果良好。本文为实际运用中机械手的设计及生产提供了一定的借鉴意义。

1 控制系统程序总体设计

本机械手主要由手部和运动机构组成, 主要完成抓持工件 (或工具) 的动作。通过机械结构和气动控制系统的设计使机械手能够完成夹紧、松开、上升、下降、伸出、缩回、左转、右转运动来实现规定的动作。通过设计其相应的硬件电路和软件编程实现对夹持式气动机械手的控制, 通过光电传感器的运用能够识别不合格工件, 并切换搬运流程, 而将不合格工件搬至废料槽, 具有一定的分辨力, 简单实用。

机械手的控制要求分为如下几个方面:

(1) 手动工作方式是利用按钮对机械手进行每一步的单独控制。按“左转”按钮, 机械手左转;按“右转”按钮, 机械手右转。用此方式可以使机械手处于原点, 同时也便于机械手的维修调整。

(2) 单周期工作方式时按下开始按钮, 则机械手从原点起按工序自动完成一个动作周期, 返回原点后停止。

(3) 连续工作方式时按下启动按钮, 机械手从原位起按工序自动往返连续循环工作, 在按下停止按钮后, 机械手才停止运动。

(4) 回原位工作方式按下复位按钮, 机械手自动回复到初始位置, 即:摆动气缸左摆到位, 伸缩气缸伸缩到位, 升降气缸上升到位, 夹紧气缸松开到位。

(5) 转换工作方式按下转换按钮时, 介于机械臂动作中搬运次品工件和正品工件的动作顺序不同, 所以设计程序时, 划分了动作一、动作二两种方式:模式一, 光电传感器检测到工件为次品工件时, 发出信号使触点X3转为ON, 执行动作二, 搬运次品工件。模式二, 若工件为正品时, 则光电传感器不发出信号, 即X3状态为OFF, 则执行动作一, 搬运正品工件。

2 机械手的整体结构布置及控制系统设计

2.1 气动机械手结构布置

本机械手选用了一个双作用旋转气缸, 实现其左右旋转动作, 并用一个双电控的三位五通阀来控制, 使其能停在活动范围的任意位置。伸缩气缸安装在旋转气缸上, 可实现伸缩动作, 控制由一个双电控的两位五通阀完成。升降气缸则安装在伸缩气缸上, 可实现上下运动, 其控制由一个单电控的两位五通阀来完成。机械手的终端是一个气动夹爪, 安装在升降气缸上, 可以实现抓放动作, 控制过程由一个双作用气缸和一个双电控两位五通电磁阀来完成。

综上所述, 机械手的动作由4个气缸, 一共7个电磁阀控制点来实现其旋转、伸缩、上下和抓放的动作。如图1所示为机械手结构布置图。

对于在零件直径与表面粗糙度方面不合格工件的检测, 用了一个光电传感器, 其能将这些微小尺寸的变化转换成光电量的变化, 且可以实现非接触式检测, 因此不会对检测物体和传感器造成损伤, 方便实用。在该传感器检测出该工件不合格时, 便将机械手动作流程切换, 将不合格工件搬至废料槽。

2.2 气动机械手动作顺序

根据机械手的动作要求以及气动控制的实际需要, 机械手的动作顺序如图2所示。

该气动机械手能够实现的功能是:将工件从上一个工作站向下一个工作站传送。机械手的控制要完成左转、右转、上升、下降、前行、后行、夹紧和放松八个动作, 其中工件抓取是采用机械爪来实现的。若检测到工件不合格, 则搬运正品步序第7步水平臂不伸出, 搬运次品步序第7步机械手手爪松开, 工件直接被放入废料槽中。反之, 若工件合格则走搬运正品步序的第7步, 即水平臂伸出。

3 机械手气动控制系统开发

气动控制主要负责机械手的伸缩、升降、旋转及夹紧松开的控制, 气动控制原理图如图3所示。

1—夹紧气缸2-升降气缸3-伸缩气缸4-摆动气缸5~8—单向节流阀9~12—电磁换向阀和消音器13-气源14-气源通断阀15-气源三联体

1) 伸出缩回、上升下降运动部分。机械手臂伸出电磁线圈3Y1得电, 则其机械手臂伸出到3S2位置;机械手臂回缩电磁线圈3Y2得电, 则手臂缩回至3Sl位置;手臂下降电磁线圈2Y1得电, 则手臂下降至2S2位置;一旦手臂下降电磁线圈2YI失电, 那么手臂上升至2S1位置。2) 夹紧、松开运动部分。机械手爪夹紧电磁线圈1Y1得电, 则手爪夹紧, 并延时4 s完成夹紧动作同时以保夹紧到位;手爪松开电磁线圈1Y2得电, 那么手爪松开, 同时延时2 s完成松开动作并确保手爪完全松开。3) 左、右旋转运动部分。机械手臂右摆电磁线圈4Y1得电, 那么手臂右转至4S2位置, 该处的电容式传感器得电则右转停止;手臂左摆电磁线圈4Y2得电, 则手臂左转至4S1位置, 此处的电容式传感器得电, 那么手臂左转停止。

4 PLC的选择及控制系统硬件电路设计

此设备共需22点输入和12点输出, 并且本系统不需要模拟量变换及存储, 同时又对PLC的扫描速度及其他方面无特殊要求。因此选用FX2N-48MR PLC一台及其相应的驱动线圈、夹钳、发光二极管、接触器和电磁阀。其共有24点输入和24点输出, 满足控制要求。外部电气接线图如图4所示。

该PLC的输入信号端:8个检测机械手运动状态的传感器信号, 分别用来检测机械手臂的伸缩极限、升降极限、摆动极限和手爪开闭极限。同时有一个光电传感器, 用来检测工件是否合格。此外, 还有8个控制机械手臂摆动、伸缩、升降、手抓开闭的按钮。根据系统控制的要求, 还有开始和复位2个按钮信号, 1个停止按钮信号, 并有2个用来控制机械手连续和单周运行方式的按键开关。PLC的输出信号端:用来驱动四个气缸的电磁阀有7个输出信号, 并有5个用来显示工作状态的信号指示灯。

5 控制系统软件设计

1) 机械手复位程序的编写如图5所示。程序开始运行后, 接通一个初始化脉冲M8002, 将S0置位, 此时按下开始按钮X0后, 程序开始运行, 但若机械手不在初始位置, 则程序不能继续进行下去, 机械手将不会动作。这时需按下按钮X2, 则将回零状态继电器S10接通, 机械手开始复位:升降臂上升, 伸缩臂回缩, 摆动臂左摆, 机械爪松开。等复位到位后, 复位灯亮, 同时通用状态继电器S20得电, 机械手开始按原定路线动作。

2) 合格工件与不合格工件搬运流程转换的PLC程序的编写如图6所示。光电传感器检测到该工件为次品后则发出信号使X3得电闭合, 转换灯亮, 辅助继电器M2得电, 其常开触点闭合, 常闭触点断开, 这样就完成了两个不同流程的切换。

3) 自动程序的SFC见图7。机械手移动工件以左上为原点, 按伸出、下降、夹紧、上升、回缩、右转、伸出、下降、松开、上升、回缩、左转次序依次运行的。动作有明显状态特点, 故用SFC语言编程。

6 结语

本文针对传统气动机械手搬运方式存在的不足, 并考虑易燃、易爆等特殊工况条件下, 搬运人员不宜直接进行搬运的情况, 利用计算机技术、PLC、气动技术, 从机械手气动控制和PLC控制系统方面开发了一台气动搬运机械手模型, 其中重点分析介绍了FX2N系列小型PLC在机械手顺序控制中的实际应用。分析了机械手的动作顺序、气动原理、硬件电路设计以及控制的方法。通过多次模拟仿真, 能够顺利完成预定动作, 具有很好的实用性。

参考文献

[1]田效伍.电气控制与PLC与技术应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[2]陈杨, 杜玉红, 李阳.小型搬运机械手控制系统设计[J].机电工程技术, 2010, 39 (4) :96-97.

机械手控制系统设计 篇5

搬运机械手动态控制设计

0312001426 03电气4班 程 诚

一、本课题的目的及研究意义：

搬运机械手设计是机械制造,机械设计和机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重要的环节,是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计能力、掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：

1）通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来。因此，机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。

2）搬运机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。

3）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范；熟悉有关国家标准和颁布标准，以完成一个工程技术人员在机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练。

4）由几名学生共同完成机械手设计工作，这样既能培养学生独立工作与分工协作完成大型设计的能力，又解决了工作量大，时间短的矛盾。

二、搬运机械手的概述

国内外实际上使用权的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进行精确地在机器中定位、定向。

为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨开头不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，分辨是否是所要抓取的工件。

为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。

因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能： 1）能准确地抓住方位变化的物体。2）能判断对象的重量。3）能自动避开障碍物。

4）抓空或抓力不足时能检测出来。

这种具有感知力并能对感知的信息作出反应的机械手称为智能机械手，它是有发展 前途的。

现在，搬运机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作台，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，搬运机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作台的范围很狭小。另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一不定期总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的总是获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。

机械手是机械自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着机械技术特别是计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中

它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

三、主要研究内容以及采用研究方法

在搬运机械手的控制系统中，我们采用了PLC技术。用流程图法，按照零件加工过程设常用PLC梯形图逻辑设计方法较多，设计中我们采计出控制系统流程图。一般控制系统都是由若干个稳定工作状态组成，每个工作状态是由于接受了某个切换主令信号而建立的。各个工作状态用一个辅助继电器进行区分，辅助继电器的状态由切换主令信号来控制，这些切换主令信号分别来自按钮、传感器、定时器和计数器。辅助继电器同时又是执行元件的输入变量。当控制系统的输入主令信号和执行元件确定以后，将主令信号与各自工作状态的约束条件，分别代入相应的辅助继电器逻辑方程和执行元件的逻辑方程，即可完成自动工作循环的逻辑控制。最后再考虑手动控制系统及自动循环与手动控制之间的互锁要求，即完成了全部控制系统的逻辑设计。

在工业自动化生产中，无论是单机还是组合机床，以及自动生产流水线，都要用到机械手来完成工件的取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。以附图所示机械手为例，其任务是将传送带A上的工件或物品搬运到传送带B上。机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松都是用双线圈三位电磁阀气动缸完成。当某个电磁阀通电时，就保持相对应的动作，即使线圈再断电仍然保持，直到相反方向的线圈通电，相对应的动作才结束。设备上装有上、下、左、右、抓紧、放松六个限位开关，控制对应工步的结束。传送带上设有一个光点开关，监视工件到位与否。

四、机械手的性能指标

机械手的主要参数是说明机械手的规格和性能的具体指标，一般包括以下几项：

1）抓取重量

抓取重量（又称臂力）是指机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它对其他参

如行程范围、坐标形式和缓冲装置的设计均有影响，是机械手最基本的参数。

2）运动速度 运动速度反映了机械手的生产水平，影响机械手的运动周期和工作效率，很多机械手由于速度低而限制了它的使用范围。影响机械手动作快慢的两个主要运动是手臂

和回转运动。速度大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓重大小和行程距离有关系。

3）行程范围

机械手的手臂运动行程对使用性能有较大的影响。一般来说，通用机械手的手臂转就尽可能大些，回转行程范围应大于180度，使机械手具有一定的通用性；手臂伸缩行程及工作半径要适宜，太大会增加手臂悬伸量，相应的偏重力矩和转动惯量也增加，且刚性降低，对于定位精度也难以保证。

4）定位精度

定位精度是衡量机械手工作质量的又一重要指标，是指机械手的运动部件从某一起始位置运动到预期的另一位置时所到达的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的精度和刚度，并和抓取重量、运动速度等因素也有密切关系。定位精度包括位置设定精度和重复定位精度两种，一般所说的定位精度是是指重复定位精度。

我们设计的成果将会根据这个几性能指标来测试，以检验它是否合格。

五、进度安排

2007.1----2007.2 ：选定题目

2007.3----2007.4 ：开题报告，综合叙述

2007.4----2007.5 ：设计方案的实施，设计控制原理图，梯形图程序，参数设置，控制信号端口连接

2007.5----2007.6 ：完成设计 2007.6中旬

： 毕业答辩

参考文献：

机械手控制系统设计 篇6

一、液压机械传动控制系统的原理

液压机械传动控制系统的原理：保持系统内各处压强相等，即保持在系统中的液体能够静止。对不同大小的活塞进行控制，根据不同大小的活塞本身受力能力的差异来调整各处压力，使得小活塞压力相对小一点，大活塞压力则相对大一点，即可保证系统内各处压强相对平衡，液体在系统内能够维持静止不动的状态。通过液体作为介质进行传递来达到能量变换的目的。整个变换过程需要液压控制阀作为控制元件、液压泵作为动力元件、液压马达等作为液压执行元件、管道等作为液压辅助性元件等共同完成。液压泵是一种常用的动力元件又称容积液压泵，能够在系统的运行过程中提供运行所需要的动力，工作原理是容量的变化产生压力的差异。注意事项是，在选择液压泵时应注意液压效率以及能量的消耗问题。液压马达在系统运行过程中充当执行元件，与液压泵的作用刚好相反，其作用是将容积液压泵提供的液压转换成机械能，达到液压对外做功的目的。液压控制系统以及一些辅助性的元件的作用则是建设液压回路，对系统内的液体进行控制，保证系统能够达到预计需要的效果，从而达到满足工作需求的目的。

二、液压机械传动控制系统的优势和缺陷

1.液压机械传动控制系统的优势。（1）高压、高速、高效率。液压机械传动控制系统在控制元件、动力元件、液压执行元件以及液压辅助性元件的共同作用下，使得液压机械传动的功率较传统的液压传动和机械传动要大。同时，系统与微电子技术相结合，使得系统本身高度集成化，能够实现小空间内对功率的准确控制。（2）小型化、轻量化、反应快、惯性小。由于液压机械传动控制系统本身又具有高度集成化的特点，所以系统具有轻量化、小型化、运动惯性小等特征。此外，各种元件的相互协调配合，能够使得系统操作灵活简单，系统内的控制元件可以对载荷做适当调整，从而实现自动变速换挡。并且整个系统与电液联合控制，将会实现机械高程度的自动化控制，能满足人们越来越高的需求，适应时代的发展趋势。

2.液压机械传动控制系统的缺陷。（1）液压系统漏油影响系统运行的平稳性和正确性。液压机械运动控制系统存在漏油的缺陷会导致液压机械传动的传动比率不能得到保存，导致液压传动系统运行的平稳性和正确性受到影响，使得液压传动系统的平稳性和准确性降低，对整个系统的运行以及运行的效果极为不利，进而影响到企业输出产品的质量。（2）温度的变化会导致系统的运动特性发生改变。液压机械运动控制系统对温度要求比较严格，当温度较高时，会改变系统中液体的黏性，从而使得液压机械运动控制系统的运动特性发生改变，造成工作的稳定性受到影响。因此，在系统的运行过程中应格外注意温度的变化，避免运行结果因为温度的变化产生偏差。（3）故障的检查和排除工作不易进行。液压机械运动控制系统在运行过程中会因为液压元件的运作产生一定量的金属粉末对机器设备造成污染容易发生故障。同时，一些外部环境的灰尘粉也极易吸附到机器设备上，从而对系统稳定性的运行产生影响。而这些在系统运行中都是不可避免的，又比较复杂对故障的检查和排除会造成很大麻烦。（4）系统运行前需要对系统进行严格的清扫。液压机械运动控制系统在运行前首先需要对系统进行全方位的严格清扫，最大限度的避免系统运行过程中一些外界因素可能对系统运行的结果产生影响。

三、液压机械传动控制系统在机械设计及制造中的具体应用

液压机械运动控制系统利用其自身系统的高度集成化能够满足各个领域中企业建设对一些大型的工程装备的需要、较大功率的需求、精度和工作效率较高的需求等。同时，由于其自身兼具惯性小、轻量化、小型化、反应快等特点，使得操作灵活简单，适应各种施工环境和施工条件。在一些自主研发的机械的设计及制造中，液压机械运动控制系统能够充分的发挥作用。机械设计可以跟液压机械运动控制系统的工作原理相适应，借助系统自身的各种优势不仅能弥补传统机械传动和液压传动的缺陷，而且将二者结合起来以后对机械制造的难度的降低，精准度的提高以及工作效率的大幅度提升都有促进作用。此外，液压机械运动控制系统能够较容易实现自动化的控制，将其引入到机械设计和制造的应用中，能够促进机械设计和制造的自动化进程，对机械业的发展具有极其重要的意义，是未来机械设计和制造的发展方向，能够较大的改善产品的质量，缩短产品生产周期，促进产品功能的高效，有效的滿足人们对机械产品越来越高的要求。液压机械运动控制系统已经广泛应用到国防建设和现代建设中机械的设计和制造中了。

四、液压机械传动控制系统在机械设计及制造的应用中存在的问题

随着液压机械运动控制系统的提出和发展，液压机械运动控制系统已经开始广泛应用到各个生产领域，并为人们的生活带来了极大的便利。但是，在目前的系统中仍然存在着一些缺陷。一个突出的表现就是，我国目前液压机械运动控制系统中使用的一些动力元件、控制元件、辅助性元件、执行元件等都需要从国外进口，并且在国际范围和其他发达国家相比有明显的差异。根据液压机械运动控制系统的工作原理以及一些重要元件在系统运行过程中充当的角色，重要元件在系统运行中的重要性可想而知，重要元件的水平直接影响着液压机械运动控制系统的完善性以及功能的高低。因此，要想机械的设计和制造业能够自主创新稳固的发展，应该重点弥补液压系统中重要元件存在的缺陷，学习借鉴并实现创新，提高液压元件的功能和适应性以及液压机械运动控制技术。只有这样，才能从根本上发展我国的液压机械运动控制系统，并提高其在机械的设计和制造上的应用，带动各个行业领域的共同发展进步。

总结

液压机械运动控制系统，是一种新型的技术，能克服传统机械传动和液压传动的缺陷，运用液压使能量进行转换的原理，并通过控制系统进行一系列的控制，实现机械循环运转的目的，对各类需要大型设备的企业建设具有重要作用。将其运用到机械的设计和制造中能提高工作效率、产品质量，更好的满足人们的需求。但其在发展过程中，仍然存在一些不足，尚需进一步的改善和发展。

（作者单位：空军南京航空四站装备修理厂）

作者简介

王磊，空军南京航空四站装备修理厂，出生年月，19860806。江苏徐州人。本科学历，职称，助理工程师。研究方向，机械设计及液压设计。

机械手控制系统设计 篇7

关键词：伺服控制,PID,数学模型

对于复杂形状截面的喷漆, 一般采用手工工艺, 而采用机械手却能大大提高生产率, 还能极大地提高喷漆的质量, 喷漆机器人控制系统实际是一种典型的多轴实时运动控制系统。位置伺服控制是运动控制系统的重要组成部分, 它要求输出位置量完全复现输入的位置量及其变化趋势, 精确控制运动部件的坐标位置, 实现快速而准确的运动。目前一般运动伺服控制仍然普遍应用经典PID控制方法, 其优点是算法简便, 易于实现。

1 位置伺服控制的基本原理

按伺服系统调节理论, 伺服系统通常分为开环、半闭环和闭环系统。开环系统没有测量反馈环节。半闭环和闭环系统有测量反馈环节, 其中半闭环系统只有安装在电机转轴上的测量元件, 可检测与角位移有关的物理量。开环系统没有测量反馈信号, 其精度差, 而半闭环和闭环系统, 可根据检测的反馈信号与指令信号的比较结果来进行速度和位置控制, 有较高的控制精度。半闭环系统的精度要比闭环系统的精度低, 但比闭环系统简单, 易调节。图1是一个半闭环的三环运动伺服控制系统, 外环为位置环, 内环含速度环和电流环 (虚线表示) , 其控制结构如图1所示。

位置伺服控制的工作原理为:光电编码器反馈信号处理电路的实际位置信息, 与计算机传递过来的理论位置信息比较求得跟随误差, 根据跟随误差由位置控制器算出进给速度指令的数字量;此数字量经D/A转换, 作为伺服驱动单元速度环的输入速度指令, 由伺服单元驱动坐标轴运动, 实现按误差的位置控制。

2 位置伺服PID控制算法的分析

现场喷漆机器人工作的基本要求是速度快、定位准。由于机器人在运动过程中不同的位姿下对伺服参数的要求不同, 这就需要设计者根据运动信息编写自己的伺服算法。PID 控制是一种最优的控制策略, 其输入偏差e (k) 和输出u (k) 之间成比例、积分、微分关系。PID控制是最早发展起来的控制策略之一, 由于其算法简单、调整方便、鲁棒性好和可靠性高, 被广泛应用于工业控制。整个控制思想是:位置环设定PID参数, 并进行数/模转换, 模拟信号经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机, 根据命令位置与实际位置的偏差采取相应的PID控制算法, 将数字控制作用经数/模转换变成模拟控制电压, 并输出给伺服放大器, 最终调节电机运动, 完成期望值的定位。位置环调节的主要参数有: (1) 比例增益Kp, 相当于一个电子弹簧, 提供位置误差输出比例控制。增大比例增益可提高伺服系统的刚性; 提高闭环系统的固有频率及位置精度, 但会增大实际系统对噪声、干扰的敏感度; 设置值过高会引起系统出现超调现象。 (2) 积分增益Ki, 主要用于消除由于系统摩擦等因素造成的累积跟随误差。 (3) 微分增益Kd, 相当于一个电子阻尼器, 微分越大系统的阻尼越大。增大微分可阻止系统超调, 但会使系统响应速度降低; 同时会使数字系统的量化噪声放大。对于单个关节工作于位置闭环方式时来说, 首先, 计算机按绝对坐标或相对坐标方式将目标位置送给运动控制器, 然后再发送运动开始命令, 控制器接到运动开始命令后, 根据当前的加速度和速度设置进行运动轨迹计算, 给出每一时刻应达到的理想位置坐标, PID控制部分负责实际位置对理想位置的跟踪控制, 跟踪过程直至达到目标位置, 或被计算机发出的新的位置目标及运动开始命令所更新。

2.1 模拟PID算法

PID (比例、积分和微分) 控制以经典控制理论为基础, 它是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种控制方法, 是一种基于偏差“过去、现在和未来”的信息估计的有效而简单的控制算法。PID控制系统原理如图2所示。

图中Ki=Kp/Ti, Kd=KpTd, u (t) 表示控制器的输出, KP为比例系数, Ti为积分时间常数, Td为微分时间常数, e (t) 为系统偏差, y (t) 为被控变量, r (t) 为输入量, 其控制算式为:

undefined

比例增益Kp的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号, 当系统出现了偏差时, 比例调节作用立即产生调节作用, 使系统偏差快速向减小的趋势变化。积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差, 提高系统的无差度, 以保证实现对设定值的无静差跟踪。微分环节的作用主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。

2.2 数字PID控制算法

计算机控制是一种采样控制, 它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量, 进行离散控制, 而不能像模拟控制器那样能连续输出控制量, 实现连续控制。因此, 式中的积分和微分项在计算机中不能直接准确计算, 只能用数值计算的方法逼近。如果T为采样周期, 用离散采样时刻点i*T表示连续时间t, 以和式代替积分, 增量代替微分, 如果采样周期T取得足够小, 近似计算就会相当准确, 被控制过程与连续控制过程十分接近, 故可得到数字PID控制算法如下:undefined

上式的控制算法每次输出都提供了执行机构的位置ui, 故可以称为位置式PID控制算法。该算法每次输出都与整个过去状态有关, 计算中容易产生较大的积累误差, 实际中常采用增量PID控制算法, 由采样时刻的控制量可以导出:

undefined

采用增量式算法时, 计算机输出的控制增量△u (k) 对应的是本次执行机构位置的增量。增量式PID只是在算法上稍做改进, 与位置式PID并无本质区别。但是与位置式PID比较, 由于它每次只输出控制增量, 即对应执行机构位置的变化量, 输出变化范围不大, 所以当处理器发生故障时, 不会严重影响生产过程。另外由于它每次输出的最大幅度为△u (k) max, 所以, 当控制从手动切换到自动时, 可实现无扰动切换。计算工作量小, 算式中不需要累加, 且只用到2个历史数据e (k-1) , e (k-2) , 通常采用平移法保存这2个历史数据。

PID控制器参数采用实验凑试法。先整定比例控制, 将比例控制作用由小到大, 观察各次相应的响应, 直至反应快、超调小的响应曲线;然后加入积分控制, 整定积分环节时, 先将比例系数减小, 减小到原来的50%～80%, 逐渐加大积分作用, 并相应调节比例系数;再加入微分环节, 先将该系数设置为零, 然后逐渐加大, 同时要改变比例系数和积分系数, 反复调整三个参数, 直到得到满意的控制效果。

3 控制算法的仿真

根据位置伺服系统的数学模型, , 编制MATLAB的PID控制算法, 分别完成对位置伺服控制器典型输入斜坡输入响应和单位阶跃输入响应的仿真实验。

对本控制系统来说, 在不允许超调的情况下, 通过实验凑试的办法, 对PID控制器的控制参数分别取Ki=0.001, Kd=0.014, Kp=0.18时能获得理论上最好的控制效果, 如图3所示。

为了考察PID控制控制算法的鲁棒性, 当系统运行时, 将控制对象的传递函数改变其开环增益, 加入一个随机分量, 即取K= (1+rand*sin△) , 从图4知道, PID控制算法仍然保持很好的动态特性。图5是在输出端加入10%的阶跃扰动后, PID控制算法仍然有很好的抗干扰能力。

参考文献

[1]刘蕾开放式点焊机器人控制系统设计[J].机电工程, 2011 (3) :343-345.

[2]胡鹏.基于PMAC的开放式机器人控制系统[J].微计算机信息, 2006 (4) :171-173.

机械手控制系统设计 篇8

六自由度结构示意图如图1所示, 机械手由机座、腰部、大臂、小臂、手腕及执行末端等组成, 它由6个转动关节组成, 关节1、2、3是用来定位手腕的, 关节4、5、6是用来定位方位的, 每一个关节都是由一个伺服电机驱动。

2 六关节机械手运动学分析

六关节机械手由转动关节和连杆组成, 由关节角度的转动而实现机械手的运动, 为了分析机械手的运动, 需要对机械手的各个机构之间的运动关系进行分析, 建立如图2所示的坐标系, 运用D-H方法可以确定机械手的各连杆D-H参数。

若机械手结构参数已知, 则当给出机械手各个运动关节变量时, 运用坐标变化的方法, 通过齐次坐标的平移和旋转变换就可以确定机械手部在机座标中所处的位置和姿态, 即可确定运动学方程中位姿矩阵的各元素, 设连杆i坐标系和i-1坐标系之间的齐次变换矩阵为i-1Ti, 以下各式sθ和cθ分别代表sinθ和cosθ, S12=sin (θ1+θ2) , C12=cos (θ1+θ2) 则机械手的各齐次变换矩阵如下:

根据多级坐标变换关系, 把以上各矩阵相乘就可以得到机械手末端执行器的位姿矩阵为:0T6=0T11T22T33T44T55T6=

3 仿真系统的设计

3.1 建立单文档程序

在VC++中建立单文档程序manipulator, 在FileView中找到manipuatorView.h, 在程序前面加上#include"glgl.h"和#include"glghu.h"2语句。添加库文件“OpenGL32.Lib glu32.lib”到Object/Library modules栏中, 这样可以把OpenGL的各种库函数调到VC++页面中来。在视图类中添加WM_TIMER定时器消息处理函数, 然后对其生成的OnTimer事件函数进行设计。

3.2 创建渲染描述表

OpenGL是以SGI为图形工作站, 它独立于操作系统, 而Windows应用程序是使用设备描述表 (DC) 进行绘图的, 而OpenGL是使用渲染描述表 (RC) 完成图像的映射的, 因而在Windows环境下绘制窗口要通过建立DC和RC的连接, 实现绘制的目标。RC的映射核心是像素格式的设置, 当OpenGL将数据转化为像素操作写入帧缓存中, OpenGL就要知道Windows的像素格式, 像素属性的设置需要初始化函数PIXELFORMATDE-SCRIPTOR来完成, 包括颜色模式、深度缓存位数等参数。

3.3 设置像素格式

设置像素格式时, ChoosePixelFormat函数是在系统中选取一个合适的像素格式, 它将pixelDesc描述的象素格式选择到系统中, ChoosePixelFormat接受2个参数:一个是hDC, 另一个是指向初始化函数结构的指针&pixelDesc;像素格式的工作函数由SetwindowPixelformat () 完成, 具体代码如下:

3.4 关联RC和DC

用OnCreate () 把DC和RC关联起来, 程序设计如下:

4 仿真原理及人机交互界面

本系统主要由控制界面完成各种运动的选择和控制, 控制界面包括正逆运动、各种轨迹插补、关节角度的输入和运动途经点等。各种运动的程序设计是仿真的核心, 由人机交互界面设计特定运动参数, VC++通过关联函数把设定的参数传输到运动源程序中, 利用Setimer函数设置定时器, 每一段时间就执行OnTimer函数, 然后把各关节变量信息发送出来, 然后通过On Draw函数把程序翻译出来, 在视窗中生成相应的动画。在仿真运动的过程中动画可能闪动, 可以利用OpenGL的SwapBuffers双缓存函数来实现。

用VC++设计的人机交互界面主要包括3部分, 即运动控制界面、运动显示界面和参数显示界面, 如图3所示。这个界面可以很方便地提供控制系统与仿真运动的沟通, 利用这种VC++开发的面板, 可以直观地看到机械手的运动及其轨迹, 同时用户可以很方便地改变机械手的参数进行其他的仿真。

5 结语

利用上述机械手运动学分析和仿真控制系统, 操作者在模拟的环境中能很清楚地观察到抛光机械手正逆运动学求解, 还可以清楚地看到三次多项式、五次多项式、直线插补和圆弧插补的轨迹, 并可以比较它们的差异。借助于计算机仿真技术, 不仅可以节省人力、物力, 也为以后一些不规则的轨迹规划设计的合理性、可行性、可靠性打下了基础。

参考文献

[1]和克智.OpenGL编程技术详解[M].北京:化学工业出版社, 2010

机械手控制系统设计 篇9

JJR-1机械手是一个5关节开放结构的机械手,由底座、上臂和前臂构成,各关节传动系统采用齿轮和齿带传动,如图1所示为机械手本体结构。为使其控制更灵活,更适于作为实验研究的工具并进行控制理论的应用和研究,我们对机械手控制系统进行了重新设计。

2 控制系统的工作原理

系统采用PC机作为上位机,用于实现关节运动的轨迹规划、命令传送以及关节位置信息反馈,以BIM-418-F为核心的无线传输模块进行信息传送和接收;下位机采用AT89S52单片机作为机械手关节位置定位的闭环控制核心,由AT89S52单片机进行关节的运动控制,实现与上位机的信息交换,获取关节运动指令信息,并及时将位置信息反馈至上位机,末端用LM629N的运动控制器直接控制电机控制芯片L298N。

3 控制系统硬件设计

3.1 无线通讯模块

无线通信选用英国某公司的低功耗超高频数据收发芯片BIM-418-F,载波频率为418 MHz,通信速率高,性能可靠,体积小,即可发送又可接收,使用起来非常方便,BIM-418-F芯片的15、16脚为发射和接收控制端,分别由单片机的P1.4、p1.5控制,真值表如图3所示。芯片11脚为载波测试端接P3.3,当16脚RX为低电平,显示14脚TXD正在收到数据信息。

3.2 运动控制模块

运动控制芯片选用美国某半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片LM629N,控制电路见图4,LM629N的8位数据口D0～D7与AT89S52相连,进行实现数据交换,LM629N的CS,RD,WR,PS,CLR,HI引脚分别与AT89S52相连,用于控制LM629N的片选、数据读写及信息输出等。LM629N接收到AT89S52传送的信息,经过LM629N内部梯形图发生器和PID调节器的运算,输出脉宽调制信号和方向信号,由LM629的引脚PWM(M)和PWM(S)输出。

LM629N是用一个数字PID滤波器来进行补偿的闭环系统。在预定位置上对于任何扰动,电动机都产生一个转矩,来保持此位置。补偿转矩为:

式中n——采样序号;

n'——微分采样周期;

Kp、Ki、Kd——由用户设定的滤波参数。

3.3 电机驱动模块

电机驱动芯片选用常用的电机驱动芯片L298N,它是恒压恒流双H桥式2A驱动芯片,可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。VSS接逻辑控制电源,VS为电机驱动电源。接线如图4所示,IN1～IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号,接收来自LM629N引脚的PWM (M)和PWM(S)数据,用来实现电机调速。ENA,ENB引脚则为使能控制端,控制H桥的开与关,即实现电机的正反转,1,15脚是输出电流反馈引脚,在使用中这2个引脚直接接地。

4 控制系统软件设计

软件采用模块化方式设计,包括主程序模块,子程序模块和中断模块,主程序模块如图5所示。程序采用C语言编写,通过上位机编写控制程序,由无线通讯发出相应的控制信号控制电机,从而使机器人完成相应的动作。

5 结论

利用LM629N专用运动控制处理器,建立了AT89S52单片机控制系统的硬件系统,系统分为无线通讯模块、运动控制模块和电机驱动模块,很好的提高了JJR-1型机器人控制系统的精度和稳定性差的问题,通过实验验证,提高了机械手的稳定性和控制精度。通过上位机可以方便的编写和修改程序,系统运行还可以在屏幕上监控机械手的工作状态,为实验研究工业机械手提供了一个良好的平台。

摘要：针对JJR-1型机械手控制系统精度低和稳定性差，设计了一种基于AT89S52单片机硬件系统的机器人控制系统。该系统采用LM629N专用运动控制处理器，简化了机械手控制系统结构，实验验证机器手的稳定性和控制精度得到了较大提高。

关键词：JJR-1机械手,BIM-418-F,LM629N

参考文献

[1]LM628/629 programming guide.National semiconductor ap plication note 693,January 1999.

[2]王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京航空航天大学出版社，2002．

机械手控制系统设计 篇10

1 机械手结构设计

圆柱坐标型机械手能够在不同位置进行抓取和放置工件, 其结构如图1所示。

机械手机械系统执行机构主要由以下部分组成: (1) 手部抓取机构, 采用一个直线气压缸, 通过机构运动实现手爪的张合, 采用夹持式的手部。抓重:5kg, 棒料直径:80mm。 (2) 腕部旋转机构, 采用一个摆动气缸实现手部回转。回转范围:0~1800, 回转速度:<900/s。 (3) 臂部伸缩机构, 采用直线气缸来实现手臂平动。伸缩行程:0~450mm, 伸缩速度:250mm/s。 (4) 手臂升降机构, 采用电机驱动实现手臂升降。升降行程:0-150mm, 最大速度60mm/s, 重复定位精度±0.1mm, 最小进给0.12mm/p, 寿命2000h, 电机转速300r/min。 (5) 机身旋转机构, 采用减速电机控制机身旋转, 回转范围:0~1800, 回转速度:<700/s图2为该机械手的气压传动系统工作原理图。其气源是由空气压缩机通过快换接头进入储气罐, 经分水过滤器、调压阀、油雾器, 进入各并联气路上的电磁阀, 以控制气缸和手部动作。为简化气路, 减少电磁阀的数量, 各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。根据各工作气缸的尺寸, 行程, 速度计算出所需压缩空气流量, 以此选用电磁阀。

2 机械手控制系统设计

结合机械手需要实现的各项功能, 相应的气压回路电磁阀所作出的动作, 以及对两组电机的控制, 配合相应控制信号, 设计PLC控制系统。

2.1 机械手工作流程:

(1) 机械手的初始位 (原点) , 开始运行后, 如果机械手不在初始位置上, 机械手则开始工作回初始位。 (2) 原点位置上, 首先纵轴电动机工作, 手臂下降, 下降到位后, 纵轴电动机停止。 (3) 手爪电动机工作, 带动手爪转动, 当传感器检测到限位磁头时, 电机停止。 (4) 手爪电磁阀动作 (通电) , 手爪张开。 (5) 手爪电磁阀复位, 手爪夹紧 (夹住物体) 。 (6) 延时后, 手臂上升, 同时手臂缩回。 (7) 当纵轴、底盘都到位后, 手臂前伸, 前伸到位后停止。 (8) 手爪转动, 然后纵轴下降, 手爪电磁阀动作, 手爪张开。 (9) 延时后, 纵轴上升复位, 手臂缩回复位, 再重复下一循环。操作方式:自动循环、单周期、单步、手动四种。纵轴运动为直线运动, 由步进电动机驱动, 由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转。手爪和底盘运动为旋转运动, 由直流电动机驱动, 手爪采用气压驱动。

2.2 PLC的选型

PLC所需的I/O点个数:输人信号端:4个检测机械手运动状态的行程开关信号, 分别用来控制机械手臂的伸缩极限、升降极限。7个手动控制的按钮开关, 分别控制上升/下降、伸臂/缩臂和夹紧。另外根据系统控制的要求, 需要1个开始和1个停止按钮信号开关, 还需要4个控制机械手运行方式的开关和1个复位按钮。即共有17个输入信号, 且均为开关量。输出信号端:用来驱动三个气缸及夹紧/放松的电磁阀需要7个输出信号。也就是, 本控制系统有17个输入信号, 5个输出信号, 并考虑到今后调整和扩充, 一般应加上10%~15%的备用量。

2.3 电源部分

PLC一般使用220V的交流电源, 内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V等直流电源, 使PLC能正常工作。

2.4 气动机械手控制流程

气动机械手控制流程, 其原理为接通电源使系统启动开始扫描, 扫描手动时判断手动按钮是执行手动操作;扫描回原点开关, 是执行回原点操作;扫描单步开关, 是执行单步操作;扫描单周期开关, 是检测是否在原点, 是执行单周期操作;扫描连续操作, 是检测是否在原点, 是执行连续操作。除了连续操作以外, 其他操作执行完以后自动重新扫描。

3 结论

本文根据机械手所需要实现的功能要求, 设计了机械手的结构PLC控制系统。机械手手部抓取机构, 采用一个直线气压缸驱动, 臂部和腰部采用步进电机进行驱动。控制系统共包含17个输入信号, 5个输出信号。该机械手可以准确高效的完成抓5kg重, 直径80mm的工件的抓取和放置。

参考文献

[1]黄伟, 胡青龙.机械手PLC控制系统的设计[J].机电工程技术, 2008 (11) .

[2]陶建国, 刘廷荣, 杨文凯.一种模块式气动机械手及其作业分析[J].机械工程师, 1997 (3) .

[3]王巍, 汪玉凤.基于PLC的气动机械手研究[J].辽宁工程技术大学学报, 2005 (S1) .

[4]郭洪红.工业机器人技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006.

传动机械仓库管理系统设计及开发 篇11

【摘 要】仓库管理是企业管理非常重要的一个环节，是企业商品供应链上最为基本也是较为重要的一环，对于一个生产企业来说，做好仓库管理工作意义非凡，不仅可以减少资源浪费、缩短原材料、半成品和成品的滞留时间、提高生产效率、防止缺货现象的发生。今天我们将就仓库管理的重要性引出UML这一概念，然后具体探讨基于UML的传动机械仓库管理系统的建模与开发。

【关键词】传动机械仓库管理系统；设计；开发

1.仓库管理和仓库管理系统

对于一个企业来说，仓储在企业的整个供应链中起着至关重要的作用，如果不能保证正确的进货和库存控制及发货，将会导致管理费用的增加，服务质量难以得到保证，从而影响企业的竞争力。传统简单、静态的仓储管理已无法保证企业各种资源的高效利用。如今的仓库作业和库存控制作业已十分复杂化多样化，仅靠人工记忆和手工录入，不但费时费力，而且容易出错，给企业带来巨大损失。

企业仓库管理系统是一款标准化、智能化过程导向管理的仓库管理软件，它结合了众多知名企业的实际情况和管理经验，能够准确、高效地管理跟踪客户订单、采购订单、以及仓库的综合管理。仓库管理系统的基本结构可以概括为四大部件，即信息源、信息处理器、信息用户和信息管理者。因此，一个成功的管理信息系统应该具有可靠的硬件、实用的软件、强有力的现代化管理水平。具体讲，管理信息系统的三大支柱是：计算机网络、数据库和现代化的管理，这三打支柱称为管理信息系统的扩展部件。

2.关于UML的概念

Unified Modeling Language （UML）又称统一建模语言或标准建模语言，是始于1997年一个OMG标准，它是一个支持模型化和软件系统开发的图形化语言，为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持，包括由需求分析到规格，到构造和配置。 面向对象的分析与设计（OOA&D;，OOAD）方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮，UML是这个高潮的产物。它不仅统一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法，而且对其作了进一步的发展，并最终统一为大众所接受的标准建模语言。

3.系统UML静态模型设计

3.1入库流程分析

（1）货物到达后，站台值班员组织卸货，大致清点品种、件数，编写《物资到站日报》，送至收货组；

（2）收货组根据《物资到站日报表》核对验收货物，分配库位，填写《码单》。

（3）客户《货物明细单》到达后，填写《入库单》。核对《码单》、《货物明细单》，《入库单》，如出现差错，返客户《货物异常报告》。

（4）总经办审核记帐后，生成《帐卡》、《入库收费单》，数据不再允许改动。

3.2出库库流程分析

（1）客户在入库时提供提货样单，用户持提货单至发货组，要求提货。调度员核实提货单的合法性，填写《出库单》，显示相关业务号信息，如果有层次，则显示层次信息，并修改层次信息；如果是一个业务号的尾货则给出尾货提示。然后向用户出具《出库收费单》，同时生成《派车单》，并派保管员准备发货。

（2）保管员持《派车单》组织货物装运，记录实出货物信息，填写《码单出库信息表》 。

（3）用户缴费后，保管员开具出门证给用户。

（4）总经办审核记帐后，生成保管收费单。

（5）一批货物全部出库后，保管员将《帐卡》、《提货单》、《码单》送至总经办核实平帐后，存档。

3.3系统的静态结构模型主要包括用例图（Usecasediagram）、类图（Classdiagram）、对象图（Objectdiagram）、包图（Packagediagram）、构件图（Componentdiagram）和配置图（Deploymentdiagram），其中最主要的是用例图、类图和对象图。

3.3.1系统用例分析

系统用例模型用于描述对系统的外部执行者（通常是系统的用户，某些情况下也可以使使用系统服务的其他程序）来说，系统所能提供的功能。在需求分析阶段，经系统开发者和用户充分沟通后，可以建立用例模型，明确系统需求的具体规格。对仓库管理系统而言，根据目前农产品物资仓库的建设现状以及仓库管理的一般规定，系统通常需要以下4类角色：仓库管理员：通常负责管理仓库货物的出库、入库，以及相关的登记，并对仓库的货物进行管理；系统管理员：主要负责维护仓库管理系统。由于系统中不同的用户具有不同的权限，因此还应该设置一个用户管理用例对用户权限进行管理。

3.3.2类图设计

对设计工作流的输入是分析工作流的产品。在设计工作流期间，对这些产品进行迭代和增量，直到它们处于一种可以被程序员利用的格式为止。这种迭代和增量的主要方面是标示操作，并把它们分配给合适的类。系统中各种类的结构和相互间的关系一般可用类图进行描述。多个类之间的关联、依赖、泛化和包含等关系，以及每个类的属性、方法等，均可以使用类图进行清晰、详细的描述。本文以身份验证用例类图和入库管理类图为例简要介绍类图设计。

（1）身份验证用例类图设计。系统的大部分操作均需进行身份验证，以确定用户所具有的权限。为提供用户名和密码输入窗口，所以系统应调用方法DisplayIdentifieationUI（）以给出UI界面。UI接收到用户名和密码后，需调用SubmitNamePassword（）方法将数据提交至服务端。服务端应对用户身份进行验证，利用身份验证控制流对接受到的用户名和密码进行校验，成功后在生成用户权限表。根据用户权限情况，系统应显示不同的用户后台管理界面。该界面使用DisPlaySystemUl（）方法实现。而如果校验失败，则应使用DisPlayErrow（）方法向用户给出一个错误提示。

（2）入库管理类图。对要入库的物资装备进行入库操作时，首先应使用FreightLotExcess（）方法获取仓库中剩余的货位数量和位置等信息，然后使用DisplayInDepotManagementUI（）显示入库管理窗口。在剩余货位足以支持物资入库时，用户方可录入物资入库信息。系统对入库信息应使用ExamineItem（）进行数据的合法性和完整性校验，校验通过后对数据进行编码并调用SubmitInDepotInfo（）将数据存入数据库。

4.小结

在使用UML对软件系统建模时，首先可以根据用户的需求建立系统的需求模型，此阶段可以使用用例图。然后根据需求建立系统的静态模型，此阶段可以使用类图和对象图。后续为了描述系统的行为可以建立一些系统的动态模型，此阶段可以使用状态图、活动图、顺序图和协作图。

系统开发是一个很复杂的过程，如何将这个复杂过程让客户和开发人员快速的、清楚的理解，使他们能够在开发过程中更好地协作和沟通，提高工作效率，是一个必须关注的问题。UML就是解决上述问题的产物，它提供的模型图都非常的形象化，使用这些模型图可以从各个方面描述软件开发，有效地降低软件的复杂性，为用户和开发人员在软件开发过程中的活动带来方便。 [科]

【参考文献】

[1]朱旭东.软件过程与CMM[J].安徽大学学报（自然科学版），2003（02）.

[2]黄梅荪，程慧霞，吴必文.基于UML统一软件开发过程的研究和实践[J].安徽大学学报（自然科学版），2003（03）.

机械手控制系统设计 篇12

随着科学技术的不断进步, 自动化生成设备的应用越来越广泛, 由于气动机械手具有结构简单, 使用方便, 制造成本低等优势, 在生产线上被广泛应用。气动机械手通过控制系统和执行系统来共同完成生产指标, 随着PLC技术的成熟, 基于PLC技术的气动机械手控制系统的设计实现了新的突破。

1 PLC技术概述

PLC的全称是可编辑逻辑控制器 (Programmable Logic Controller) , 通过可编程的存储器元件进行逻辑运算、程序控制、设备定时, 最后将数字模拟转化为机械设备的生产指令。PLC电子系统装置的核心是微处理器, 可用于各种工业生产, 它的出现克服了许多原有技术的障碍, 具有操作简便、可靠性高等优点, 由于整合了微处理器的优势, 也更加符合电气设备操作人员的操作习惯[2]。我国首次引进PLC技术是在上个世纪七十年代, 时至今日已经可以用于生产一些中小型的产品, 在电子、纺织、产品、印刷等多个领域都有广泛的应用。

2 机械手的基本结构和控制要求

2.1 机械手的基本结构

机械手由控制系统和执行系统组成, 二者相互配合共同完成生产要求, 其控制系统由PLC技术主导, 执行系统则是机械手完成各种复杂操作的实体装置[3]。机械手的工作性能受执行机构分布的影响, 其形式也比较多, 如直角坐标式、球坐标式、关节式和圆柱坐标式。

直角坐标式机械手可以沿着X、Y、Z三个不同的方向做往返运动, 这种形式的机械运动适用于工作位置位于一条线上的设备, 优点是节拍间隔短、定位准确、精准度高、效率高, 可与传送带或者其他加工设备配合使用, 缺点就是受到运动方向的限制作业范围比较小。球坐标式机械手可以实现在坐标平面下的直线运动或者两个方向之间的旋转运动, 其优点是活动范围大, 可进行伸缩回转、左右摆动、旋转等动作, 工作效率也高[4]。关节式机械手的命名就是因为它可以像人的手臂一样实现多个自由度的转动, 优点是动作灵活。圆柱式机械手是实际生产中应用最多的一种机械手, 优点是体积小、动作范围大。

2.2 机械手的控制要求

机械手的控制根据适用场合的不同可以分为自动控制和手动控制两种控制方式。自动控制是基于PLC技术下的编写程序实现设备控制的, 而手动控制操作主要是用于设备的安装调试以及故障维修过程。机械手的自动运行过程要求摆动气缸处于中心右侧, 此时气缸活塞控制杆和垂直气缸活塞控制杆同时后退, 真空吸盘没有抓取工件, 在运行过程中通过转动气缸的摆动和伸出等引起其他组件的一系列运动, 实现整个自动控制操作。机械手的手动运行主要有机械手的升降、伸缩和摆动操作, 它与实际操作无关, 只是在装置进行初次安装或者出现故障时采用的一种工作方式。

3 PLC气动机械手控制系统的软件设计

3.1 顺序功能设计

为了保证生产过程能够按照预定的先后顺序正常进行, 就需要严格的设计顺序功能图, 顺序功能图能够保证机械手按照规定的步骤完成控制任务, 可以有效的提高工程师的设计效率, 由于设计思路简单, 也便于初学者理解[5]。顺序功能图实现了通用编程元件和专用编程元件的结合使用, 这种专门用于控制程序编制的功能图已被PLC设计广泛采用。通过气动机械手的操作流程可以看出, 需要机械手按照控制要求, 从原点位置出发, 依次进行摆动缸摆动、伸出、吸件、退回、右摆、伸出、松件、退回原位的循环操作。

3.2 气动机械手的总体顺序功能

自动控制系统的检测开关和手动开关只能有一个处于开放状态, 所以需要安装转换开关以保证控制方式的单一性。对于手动操作方式和自动操作方式需要按照选择开关来决定, 如果是先选用自动操作的方式, 但此时机械手并没有处于原始状态, 就需要先使用手动操作方式使机械手回到初始位置之后再执行其他操作, 通过选择开关就可以轻松的实现单周期或者自动化的操作。

4 PLC气动气动机械手控制系统的测试与发展前景

对PLC气动机械手控制系统的设计部分进行测试, 可以保证出厂的设备质量, 为设备功能的完整实现以及设备运行的速度提供强有力的技术支持。通过系统测试也可以为广大的客户提供一个直观了解设备工作原理的平台, 友好的操作界面也让用户需求与设备操作之间的信息传递更加简便, 操作起来更加方便。

气动机械手是在气动条件下实现的, 所以动力来源取之不尽, 不仅节约能源, 还可以实现生产效率的提高, 在医药、食品等多个加工制造行业被推广使用。机械手的多向旋转与气爪夹紧功能相互配合, 共同实现生产线的全自动化生产。基于微处理器的PLC技术使气动机械手的控制系统逻辑编程更加简单明了, 提高了生产效率[6]。PLC技术与气动机械手的优势合并, 不仅节约能源, 而且操作性能更加稳定可靠, 这也必然使PLC气动机械手控制系统在未来几十年内被更多的生产行业所推广使用。

5 结语

随着计算机信息技术的迅速发展, 以PLC技术为核心的气动机械手控制系统在生产加工过程中得到广泛的应用。由于PLC技术的独有优势, 使其非常适合实现气动机械手的控制要求, 不仅操作更加准确, 安全性能也更高, 故障频率也较之前有大幅度的降低。基于PLC技术的气动机械手控制系统大大提高了工业生产的工作效率, 为企业创造了更多的经济效益, 是一种未来发展前景广阔的自动控制系统, 必将得到大范围的推广使用。

摘要：气动机械手的使用能够很好地提高工业生成的自动化程度。PLC技术与气动机械手的结合为机电系统的控制实施提供了更加有利的条件, 加快了自动化程度的前进速度[1]。本文主要研究分析了在PLC技术下的气动机械手控制系统的设计与发展。

关键词：PLC技术,气动机械手,控制系统,设计

参考文献

[1]徐玲.基于MCGS组态软件气动机械手PLC控制系统设计[J].伺服控制, 2012.

[2]汪欢欢, 胡国清, 周青辉.基于PLC的气动机械手控制系统设计与研究[J].液压与气动, 2012.

[3]齐继阳, 吴倩, 何文灿.基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统的设计[J].液压与气动, 2013.

[4]郭子健.基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统的设计[J].无线互联科技, 2014.

[5]薛小晶.基于PLC的气动机械手控制方法探讨[J].电子技术与软件工程, 2014.