第一篇:高性能的PLC控制步进电机在机器人机械手外文翻译
高性能的PLC控制步进电机在机器人机械手
摘要:在最近几年,一个完整的多轴数字控制系统已经研制成功。本文
介绍了一个用工业可编程逻辑控制(PLC)来控制五轴转子位置,方向和速度,从而减少电路元件的数量,降低成本和提高可靠性。一些实验结果表明是由控制器的高性能和功能得来的。关键词:
PLC,机器人和步进电机。
1、简介
运动控制的主要目的是设计控制系统能实现真正的自动运动机器。这种性能必须达到优化机械,即生产力实现更高的工作速度,尽量减少能源要求,减少了使机械磨损的因素(1)。一个完全数字化的体系来说通过对基于总线控制系统的最大的灵活性应用系统提供高性能的伺服控制是必需的。在大多数情况下,PLC是一种固态装置,设计工作在嘈杂的工业环境并执行所有的逻辑功能,早先就实现了对鼓机电继电器开关,机械定时器和计数器的使用(2)。步进电机,通常用于微型电子计算机,现已广泛应用于机器人(3)。在本文中,我提出了各轴包含一个由plc控制的步进电机的五档速度控制轴机器人。(SLC 150)
2、可编程控制器
PLC,像一台电脑,采用了微处理器芯片进行处理和存储芯片来存储方案。PLC的基本结构如图1所示,输入设备是监控机器或被控制的过程的传感器。这些传感器的状态(ON或OFF)被输送到PLC控制器。取决于这些传感器输入状态的PLC的输出可能切换到活力马达,继电器,阀门等....,来控制机器或过程。SLC150的PLC[2]有10个输入,编号从1到10的,然后再从10数到1的IO当作 IO1的输入。SLCI50有12个输出编号从11至16,和111至116。
3、机器人的描述、图2显示了一个典型的机器人(4)。它由一英寸上有8-32螺纹孔的12英寸至14英寸大小的底板和炮塔——一个周围配备了传送带的旋转平台(它的每一英寸的中心有8-32螺纹孔)。这些孔配合安装在机器人的手臂和手腕马达的相对于其中心的不同地;,炮塔钳,可连接炮塔和炮塔轴;炮塔装载,可连接底板唇,覆盖炮塔马达,和支撑炮塔轴和炮塔。炮塔轴是用来保留炮塔和炮塔内的炮架集合,炮塔轴承(有两个)的
呈递担保装入举行炮塔轴,推力 轴承安装在炮塔的轴上,以适应 机器人的重量,提供平稳和旋转 炮塔,推力垫圈安装在炮塔轴接口的推力轴承的安装和炮塔钳总成(他们是在任的推力轴承一面放置),炮塔齿轮(有二分之一254〜0tha届一,步进电机(五电机),数字编码器,40齿)臂环节,是一个机器人手爪手,提供下巴 位置和动态压缩力信息到控制器。
第二篇:工业机器人机械手外文翻译
外 文 翻 译
Introduction to Robotics
Mechanics and Control
机器人学入门
力学与控制
系
别: 机械与汽车工程系 专学业生
名姓
称: 机械设计制造及其自动化 名: 郭仕杰
学
号:
06101315 指导教师姓名、职称: 贺秋伟 副教授
完成日期 2014 年2 月28日 Introduction to Robotics
Mechanics and Control
Abstract This book introduces the science and engineering of mechanical manipulation.This branch of the robot has been in several classical field based.The main related fields such as mechanics, control theory, computer science.In this book, Chapter 1 through 8 topics ranging from mechanical engineering and mathematics, Chapter 9 through 11 cover control theory of material, and twelfth and 13 may be classified as computer science materials.In addition, this book emphasizes the computational aspects of the problem;for example, each chapter it mainly mechanical has a brief section calculation.This book is used to teach the class notes introduction to robotics, Stanford University in the fall of 1983 to 1985.The first and second versions have been through 2002 in use from 1986 institutions.Using the third version can also benefit from the revised and improved due to feedback from many sources.Thanks to all those who modified the author's friends.This book is suitable for advanced undergraduates the first grade curriculum.If students have contributed to the dynamics and linear algebra course in advanced language program in a basic course of statics.In addition, it is helpful, but not absolutely necessary, let the students finish the course control theory.The purpose of this book is a simple introduction to the material, intuitive way.Specifically, does not need the audience mechanical engineer strict, although much of the material is from the field.At the Stanford University, many electrical engineers, computer scientists, mathematicians find this book very readable.Here we only on the important part to extract.The main content
1、Background
The historical characteristics of industrial automation is popular during the period of rapid change.Either as a cause or an effect of automation technology, period of this change is closely linked to the world economy.Use of industrial robots, can be identified in a unique device 1960's, with the development of computer aided design(CAD)system and computer aided manufacturing(CAM)system, the latest trends, automated manufacturing process.The technology is the leading industrial automation through another transition, its scope is still unknown.In the northern America, machinery and equipment used in early 80's of the 20th century, the late 80's of the 20th century a short pull.Since then, the market more and more(Figure 1.1), although it is affected by economic fluctuations, all the market.Figure 1.2 shows the robots were installed in a large number of annual world industrial zone.Notably, the number of Japan's report is different from other areas: they count the number of machine of robot in other parts of the world are not considered robot(instead, they would simply be considered “factory machines”).Therefore, the reported figures for the Japanese exaggerated.One of the main reason for the growth in the use of industrial robots is that they are falling costs.Fig.1.3 shows that, in the last century 90's ten years, robot prices dropped although human labor costs.At the same time, the robot is not only cheaper, they become more effective and faster, more accurate, more flexible.If we factor these quality adjusted to the number, the use of robots to decrease the cost of even than their price tag faster.More cost-effective in the robot they become, as human labor to become more expensive, more and more industrial work become robot automation candidate.This is the most important trend to promote the industrial robot market growth.The second trend is, in addition to the economic, as robots become more can become more tasks they can do, may have on human workers engaged in dangerous or impossible.Industrial robots perform gradually get more complex, but it is still, in 2000, about 78% installation welding or material handling robot in USA robot.A more challenging field, industrial robots, accounted for 10% unit.This book focuses on the dynamics and control of the most important forms of industrial robot, manipulator.What is the industrial robot is sometimes debate.Equipment, as shown in Figure 1.4 is always included, and CNC milling machine(NC)is usually not.The difference lies in the programmable complex place if a mechanical device can be programmed to perform a variety of applications, it may be an industrial robot.This is the part of a limited class of tasks are considered fixed automation.For the purpose of this difference, do not need to be discussed;the basic properties of most materials suitable for various programmable machine.In general, the mechanical and control research of the mechanical hand is not a new science, but a collection of the theme from the “classic” field.Mechanical engineering helps to machine learning methods for static and dynamic conditions.The mathematical description of movement of the tool manipulator space supply and other attributes.Provide design evaluation tool to realize the motion and force the desired algorithm control theory.Electrical engineering technology applied in the design of electrical engineering technology for sensor applied in design and industrial robot interface sensor, are programmed to perform the required task of basic computer science and the equipment.Figures:
FIGURE 1.1: Shipments of industrial robots in North America in millions of US
dollars
FIGURE 1.2: Yearly installations of multipurpose industrial robots for 1995-2000 and
forecasts for 2001-2004
FIGURE 1.3: Robot prices compared with human labor costs in the 1990s
FIGURE 1.4:The Adept 6 manipulator has six rotational joints and is popular in many applications.Courtesy of Adept Technology, Inc.2、Control of mechanical arm In the study of robots, 3D spatial position we constantly to the object of interest.These objects are all manipulator links, parts and tools, it deals, and other objects in the robot's environment.In a coarse and important level, these objects are described by two attributes: the position and direction.Of course, a direct interest in the topic is the attitude in which we represent these quantities and manipulate their mathematics.In order to describe the human body position in space and direction, we will always highly coordinate system, or frame, rigid object.Then we continue to describe the position and orientation of the reference frame of the coordinate system.Any framework can be used as a reference system in the expression of a body position and direction, so we often think of conversion or transformation of the body of these properties from one frame to another description.The 2 chapter discusses the Convention methods of dealing with job descriptions discussed method of treating and post convention described positioning and manipulation of coordinate system the quantity and mathematics different.Well developed skills relevant to the position and rotation of the description and is very useful in the field of rigid robot.Kinematics is the science of sports, the movement does not consider the force which resulted in it.In the scientific research of kinematics, a position, velocity, acceleration, and the location variable high order derivative(with respect to time of all or any of the other variables(S)).Therefore, the kinematics of manipulator is refers to the geometric and temporal characteristics of all movement.The manipulator comprises nearly rigid connection, which is the relative movement of the joint connection of adjacent links.These nodes are usually instrument position sensor, so that adjacent link is a relative position measurement.In the case of rotating or rotary joint, the displacement is called the joint angle.Some robots including sliding(or prism)connection, in which the connection between the relative displacement is a translation, sometimes called the joint offset.The manipulator has a number of independent position variables are specified as the mechanism to all parts of the.This is a very general term, any mechanism.For example, a four connecting rod mechanism has only one degree of freedom(even with three members of the movement).In the case of the typical industrial robots, because the robots is usually an open kinematic chain, because each joint position usually define a variable, the node is equal to the number of degrees of freedom.The free end of the link chain consisting of the manipulator end effector.According to the application of robot, the end effector can be a starting point, the torch, electromagnet, or other device.We usually by mechanical hand position description framework description tool, which is connected to the end effector, relative to the base, the base of the mobile manipulator.In the study of mechanical operation of a very basic problem is the kinematics.This is to compute the position of mechanical static geometric problems in hand terminal positioning.Specifically, given a set of joint angles, the forward kinematics problem is to compute the position and orientation relative to the base of the tool holder.Sometimes, we think this is a change from the joint space is described as a manipulator position that Cartesian space description.“This problem will be discussed in the 3 chapter.In the 4 chapter, we will consider the inverse kinematics problem.The problems are as follows: the end effector position and direction of the manipulator, computing all possible joint angle, can be used to achieve the position and direction of a given.(see Figure 1.7.)This is a practical problem of manipulator is fundamental.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.This is quite a complex geometry problem, the conventional solution in tens of thousands of humans and other biological systems time every day.In a case like a robot simulation system, we need to create computer control algorithm can make the calculation.In some ways, the solution to this problem is the most important element in the operating system.We can use this problem as a mapping on 3D Descartes ”position“ space ”position“ in the robot joint space.This need will occur when the 3D spatial objects outside the specified coordinates.Lack of this kind of algorithm some early robot, they just transfer(sometimes by hand)required for the position, and then be recorded as a common set of values(i.e., as a position in joint space for later playback).Obviously, if the playback position and motion pattern recording and joint of the purely robot in Cartesian space, no algorithm for the joint space is necessary.However, the industrial robot is rare, the lack of basic inverse kinematics algorithm.The inverse kinematics problem is not a simple forward kinematics of A.The equation of motion is nonlinear, their solution is not always easy(or even possible in a closed form).At the same time, the existing problems of solutions and multiple solutions occur.The study of these problems provides an appreciation of what the human mind nervous system is achieved when we, there seems to be no conscious thought, object movement and our arms and hands operation.Manipulator is a solution of the presence or absence of a given definition of work area.A solution for the lack of means of mechanical hands can not reach the desired position and orientation, because it is in the manipulator working area.In addition to static positioning problem, we can analyze the robot motion.Usually, the analysis in the actuator velocity, it is convenient to define a matrix called the Jacobi matrix of the manipulator.The speed of Jacobi matrix specified in Descartes from the velocity mapping space and joint space.(see Figure 1.8.)This mapping configuration of the manipulator changes the natural changes.At some point, called a singularity, this mapping is not to make the transformation.This phenomenon are important to the understanding of the mechanical hand designers and users.Figures:
FIGURE 1.5: Coordinate systems or ”frames“ are attached to the manipulator and to
objects in the environment.FIGURE 1.6: Kinematic equations describe the tool frame relative to the base frame
as a function of the joint variables.FIGURE 1.7: For a given position and orientation of the tool frame, values for the joint variables can be calculated via the inverse kinematics.FIGURE 1.8: The geometrical relationship between joint rates and velocity of the end-effector can be described in a matrix called the Jacobian.3、Symbol Symbol is always the problems in science and engineering.In this book, we use the following convention: First: Usually, uppercase variables vector or matrix.Scalar lowercase variables.Second:Tail buoy use(such as the widely accepted)indicating inverse or transposed matrix.Third:Tail buoy not subject to strict conventions, but may be that the vector components(for example, X, Y, Z)or can be used to describe the PBO / P in a position of the bolt.Fourth:We will use a lot of trigonometric function, we as a cosine symbol angle E1 can adopt the following methods: because the E1 = CE1 = C1.In the vector sign note general: many mechanics textbook treatment number of vector at a very abstract level and often used vector is defined relative to expression in different coordinate systems.The most obvious example is, in addition to vector is relative to a given or known a different frame of reference.This is usually very convenient, resulting in compact structure, elegant formula.For example, consider the angular velocity, connected in series with the last body ° W4 'four rigid body(such as the manipulator links)relative to the fixed seat chain.Due to the angular velocity vector addition, angular velocity equation at last link we can write a very simple vector:
However, unless the information is relative to a common coordinate system, they cannot be concluded, therefore, although elegant, equation(1.1)calculation.Most of the ”work“.A case study of the manipulator, such statements,(1.1)work coordinate system hidden bookkeeping, which is often we need to practice.Therefore, in this book, we put the symbol reference frame vectors, we don't and carrier, unless they are in the same coordinate system.In this way, we derive expressions for computing numerical solution, ”bookkeeping" problem can be directly applied to the actual.Summary The robot is a typical electromechanical integration device, it uses the latest research results of machinery and precision machinery, microelectronics and computer, automation control and drive, sensor and information processing and artificial intelligence and other disciplines, with the development of economy and all walks of life to the automation degree requirements increase, the robot technology has been developing rapidly, the emergence of a variety of robotic products.The utility of robot products, not only can solve many practical problems difficult to solve by manpower, and the promotion of industrial automation process.At present, the research and development of robot relates to many aspects of the technology, the complexity of system structure, development and development cost is generally high, limiting the application of the technology, to some extent, therefore, the development of economic, practical, high reliability of robot system with a wide range of social significance and economic value.Based on the design of mechanical structure and drive system, the kinematics and dynamics of the cleaning robot is analyzed.Kinematics analysis is the basis of path planning and trajectory control of the manipulator, the kinematics analysis, inverse problem can complete the operation of space position and velocity mapping to drive space, using the homogeneous coordinate transformation method has been the end of manipulator position and arthrosis transform relations between the angle, geometric analysis method to solve the inverse kinematics problem of manipulator, provides a theoretical basis for control system design.The robot dynamics is to study the relationship between the motion and force of science, the purpose of the study is to meet the need of real-time control, this paper use straightaway language introduced the related mechanical industrial robots and control knowledge for us, pointing the way for our future research direction.Robot is a very complicated learning, in order to go into it, you need to constantly learn, the road ahead is long, I shall search.机器人学入门
力学与控制
摘要
本书介绍了科学与工程机械操纵。这一分支学科的机器人已经在几个经典的领域为基础的。主要的相关的领域是力学,控制理论,计算机科学。在这本书中,第1章通过8个主题涵盖机械工程和数学,第9章通过11个盖控制理论材料,第12和13章可能被归类为计算机科学材料。此外,这本书强调在计算方面的问题;例如,每章这方面主要以力学有一个简短的章节计算考虑。这本书是从课堂笔记用来教机器人学导论,斯坦福大学在1983的秋天到1985。第一和第二版本已经通过2002在从1986个机构使用。第三版也可以从中受益的使用和采用的修正和改进由于许多来源的反馈。感谢所有那些谁修正了作者的朋友们。这本书是适合高年级本科生一年级的课程。如果学生已经在静力学的一门基础课程有助于动力学和线性代数课程可以在高级语言程序。此外,它是有帮助的,但不是绝对必要的,让学生完成入门课程控制理论。本书的目的是在一个简单的介绍材料,直观的方式。具体地说,观众不需要严格的机械工程师,虽然大部分材料是从那场。在斯坦福大学,许多电气工程师,计算机科学家,数学家发现这本书很易读。在这里我们仅对其中重要部分做出摘录。
主要内容
1、背景
工业自动化的历史特点是快速变化的时期流行的方法。无论是作为一个原因或一个效果,这种变化的时期自动化技术是紧密联系在一起的世界经济。利用工业机器人,成为可识别在1960年代的一个独特的装置,随着计算机辅助设计(CAD)系统和计算机辅助制造(CAM)系统的特点,最新的趋势,制造业的自动化过程。这些技术是领先的工业自动化 通过另一个过渡,其范围仍然是未知的。在美国北部,在早期有机器设备多采用世纪80年代,其次是上世纪80年代后期一个简短的拉。自那时起,市场越来越多的(图1.1),虽然它是受经济波动,是所有市场。图1.2显示的机器人被安装在大数每年世界各国的工业区。值得注意的是,日本的报告数量有所不同从其他地区一样:他们算一些机器的机器人在世界的其他地方都没有考虑机器人(而不是,他们会简单地认为是“工厂的机器”)。因此,该报告的数字为日本有些夸大。
在工业机器人的使用增长的一个主要原因是他们正在下降成本。图1.3表明,在上世纪90年代的十年中,机器人的价格下降了虽然人类的劳动成本增加。同时,机器人不只是越来越便宜,他们变得更有效更快,更准确,更灵活的。如果我们的因素这些质量调整成数,使用机器人的成本下降甚至比他们的价格标签更快。在他们的工作机器人变得更具成本效益的,作为人类劳动继续变得更加昂贵,越来越多的工业工作成为机器人自动化的候选人。这是最重要的趋势推动了工业机器人的市场增长。第二个趋势是,除了经济,随着机器人变得更能成为他们能够做的更多以上的任务,可能对人类工人从事危险的或不可能的。工业机器人执行逐步得到更多的应用复杂的,但它仍然是,在2000年,大约78%安装在美国进行焊接或材料搬运机器人的机器人。
一个更具挑战性的领域,工业机器人,占10%装置。这本书着重于力学和最重要的形式控制的工业机器人,机械手。到底什么是工业机器人是有时辩论。设备,如图1.4所示是总是包括在内,而数控(NC)铣床通常不。区别在于的可编程的复杂的地方如果一个设备机械设备可以被编程为执行各种应用程序,它可能是一个工业机器人。这是最机部分有限的一类的任务被认为是固定的自动化。为目的本文的区别,不需要讨论;大多数材料的基本性质适用于各种可编程机。
总的来说,其力学和控制机械手的研究不是一个新的科学,而只是一个收集的主题从“经典”的领域。机械工程有助于机器学习方法静态和动态的情况下。数学描述空间供应工具机械手的运动和其他属性。控制理论提供了工具以实现所期望的运动和力的应用评价算法设计。电气工程技术施加在传感器的设计电气工程技术施加在传感器的设计和工业机器人接口,与计算机科学的基础这些设备进行编程以执行所需任务。
附图:
图1.1在数以百万计的人在美国北部的工业机器人的出货量美元
图1.2 年安装的多用途的工业机器人1995-2000年和2001年至2004年预测
图1.3 机器人的价格与上世纪90年代的人类劳动成本的比较
图1.4 娴熟的6臂有六个转动关节(流行于众多制造行业)
2、力学和机械臂的控制
机器人的研究中,我们不断的关注对象的位置三维空间。这些对象是机械手的链接,零件和工具,它的交易,并在机器人的环境的其他对象。在一个粗而重要的水平,这些对象是由两个属性描述:位置和方向。当然,一个直接感兴趣的话题是态度在我们所代表的这些量和操纵他们的数学。
为了描述人体在空间中的位置和方向,我们将始终高度坐标系统,或框架,严格的对 象。然后我们继续相对于一些参考描述该帧的位置和方向坐标系统。任何框架可以作为一个参考系统内的表达一个身体的位置和方向,所以我们经常认为转化或改变身体的这些属性从一帧到另一个的描述。2章讨论了公约的方法处理与职位描述讨论了公约的方法处理与职位描述定位和操纵这些量与数学不同的坐标系统。发展良好的技能有关的位置和旋转的描述甚至在刚体机器人领域是非常有用的。
运动学是科学的运动,对运动不考虑力这导致它。在运动学的科学研究,一个位置,速度,加速度,和所有的高阶导数的位置变量(相对于时间或任何其他变量(S))。因此,机械手的运动学研究是指所有的运动的几何和时间特性。机械手包括近刚性连接,这是由关节连接允许相邻链接的相对运动。这些节点通常仪表有位置传感器,使邻近的链接是相对位置测量。在旋转或旋转接头的情况下,这些位移被称为关节角度。一些机器人包含滑动(或棱镜)连接,其中之间的联系相对位移是一个翻译,有时也被称为联合偏移量。机械手具有数独立的位置的变量会被指定为定位该机制的所有部分。这是一个总称,任何机制。为例如,一个四连杆机构只有一个自由度(即使有三运动的成员)。在典型的工业机器人的情况下,因为机器人通常是一个开放的运动链,因为每个关节的位置通常定义一个变量,节点的数目等于自由度。
在链接组成的机械手的末端执行器的自由端链。根据机器人的应用,末端执行器可以是一个抓手,焊枪,电磁铁,或其他装置。我们一般通过描述工具的框架描述的机械手的位置,这是连接到端部执行器,相对于底座,所对移动机械手的基础。在机械操作的研究一个非常基本的问题就是了运动学。这是计算的位置的静态几何问题机械手的末端定位。具体而言,给定一组关节角,正向运动学问题是计算位置和方向工具架相对于底座。有时,我们认为这是改变从关节空间描述为一个机械手位置的表示笛卡尔空间的描述。“这个问题将在3章探讨。在4章中,我们将考虑的逆运动学问题。这个问题提出了如下:给出了末端执行器的位置和方向机械手,计算所有可能的关节角度,可以用来实现这个给定的位置和方向。(见图1.7。)这是一个根本性的问题机械手的实际应用。这是一个相当复杂的几何问题,常规的解决在人类和其他生物系统时间每天成千上万。在一个案例像一个机器人仿真系统,我们需要创建的控制算法计算机可以使这个计算。在某些方面,这个问题的解决方案是在操作系统中最重要的元素。
这是一个相当复杂的几何问题,常规的解决在人类和其他生物系统时间每天成千上万。在一个案例像一个机器人仿真系统,我们需要创建的控制算法计算机可以使这个计算。在某些方面,这个问题的解决方案是在操作系统中最重要的元素。
我们可以把这个问题作为一个映射在三维笛卡尔的“位置”空间的“位置”在机器人的关节内的空间。这需要自然会出现每当目标外部三维空间指定的坐标。一些早期的机器人缺乏这种算法,他们只是转移(有时用手)所需的的位置,然后被记录为一组共同的值(即,作为一个位置关节空间)用于以后回放。显然,如果机器人用纯粹的模式记录和关节的位置和运动的播放,没有算法有关的关节空间的笛卡尔空间是必要的。然而,是罕见的工业机器人,缺乏基本的逆运动学算法。逆运动学问题不是简单的正向运动学一个。由 于运动方程是非线性的,他们的解决方案并不总是容易(甚至可能在一个封闭的形式)。同时,对存在的问题解和多解的出现。这些问题的研究提供了一个欣赏什么人的心灵神经系统是实现当我们,似乎没有有意识的思考,移动和我们的双臂和双手操作的对象。一个解的存在或不存在的定义工作区一个给定的机械手。一个解决方案的缺乏意味着机械手不能达到所需的位置和方向,因为它在机械手的外工作区。
除了处理静态定位问题,我们不妨分析机器人的运动。通常,在执行机构的速度分析,它是方便的定义一个矩阵的数量称为机械手的雅可比矩阵.指定的速度雅可比矩阵在笛卡尔从关节空间的速度映射空间。(见图1.8。)这种映射配置的自然变化机械手的变化。在某些点,称为奇点,这映射是不使转化。这一现象的理解是设计师和用户的重要机械手。
附图:
图1.5 坐标系统或“帧”连接到机械手环境中的物体
图1.6运动学方程描述刀具架相对于底座作为一个联合变量的函数
图1.7 对于一个给定的位置和方向的工具框架,值为关节变量可以通过逆运动学计算
图1.8 联合率和速度之间几何关系端部执行器可以在一个矩阵描述了所谓的雅可比矩阵
3、标识符号
符号一直是科学和工程问题。在这本书中,我们使用以下公约: 第一、通常,大写变量表示的向量或矩阵。小写的变量的标量。第二、尾标使用(如被广泛接受的)指示逆或转置矩阵。
第三、尾标不受严格的公约,但可能表明向量的组件(例如,X,Y,Z)或可用于述在PBO / P一个螺栓的位置。
第四、我们将使用许多三角函数,我们为一个余弦符号角E1可以采用下列方式:因
为E1 = CE1 = C1。
在一般的矢量符号注:许多力学教材处理矢量在一个非常抽象的层次上的数量和经常使用向量定义相对于在表达不同的坐标系统。最明显的例子是,除了向量是给定的或已知的相对于不同的参考系。这是通常很方便,导致结构紧凑,有优雅的公式。为例如,考虑角速度,在串联连接的最后一次身体°W4 '四刚体(如机械手的链接)相对的固定座链。由于角速度矢量相加,我们可以写一个非常简单的向量的最后环节的角速度方程:
然而,除非这些量是相对于一个共同的坐标表示系统,他们不能总结,所以,虽然优雅,方程(1.1)隐藏大部分的“工作”的计算。为研究个案机械手,这样的陈述,(1.1)隐藏簿记的工作坐标系统,这往往是我们需要实践的想法。因此,在这本书中,我们把符号参考框架向量,我们不要和载体,除非他们在同一坐标系统。在这种方式中,我们推导出的表达式,解决“记账”问题可直接应用于实际的数值计算。
总结
机器人是典型的机电一体化装置,它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果,随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高,机器人技术得到了迅速发展,出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化,既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题,又促进了工业自动化的进程。目前,由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术,系统结构复杂,开发和研制的成本普遍较高,在某种程度上限制了该项技术的广泛应用,因此,研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。在完成机械结构和驱动系统设计的基础上,对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础,对操作臂进行了运动学正、逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射,采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系,采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题,对控制系统设计提供了理论依据。机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学,研究的目的是为了满足是实时性控制的需要,本文用通俗易懂的语言为我们介绍了工业机器人的相关力学与控制的知识,为我们以后的研究方向指明了道路。机器人的研究是一门非常复杂的学问,为了深入去探究它的方方面面,就需要不断的去学习,正所谓路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。
第三篇:三菱PLC与步进电机控制练习题 1
三菱PLC与步进电机控制练习题 1
1.参数设置与工作要求。
按照自己设计的电气图设置,主回路由一个带星-三角降压启动的正反转电机控制回路【正、反转启动时,星形运行时间 4秒,再转换成三角运行;正、反转转换时的时间间隔为5 秒】、变频器控制的单速电机三速段变速控制回路【设置参数:变频器设置为第一速段为25Hz加速时间 2 秒,第二速段为35Hz、第三速段为50 Hz】、步进电机控制回路【设置参数:步进电机,第一次动作为正向旋转4 圈,脉冲频400Hz;第二次动作为正向旋转 3圈脉冲频率400Hz;第三次动作为反向向旋转6圈,脉冲频率600Hz:步进驱动器设置为4 细分,电流设置为1.5A。】组成。竞赛以电机旋转“顺时针旋转为正向,逆时针为反向”为准。
(1)整个动作实现过程应采用无人工干预的方式,由PLC控制实现。
(2)整个动作实现过程不考虑任何特殊情况下的如紧急停车或自动恢复。
(3)使用SB1作为起动、SB2停止的控制方式,并有工作状态指示。
(4)整个控制电路(含主回路与控制回路),必须按自己设计的图纸连接实现。
(5)热继电器FR1、FR2的整定电流均为0.4A。
2.工艺过程实现。
按下启动按钮SB1后,M1按降压启动模式(星形)正转;4 s后,转入三角形运转(为保证转换时不出现短路,应在程序上使KMY转成KM△的时间间隔为0.2秒)。同时,步进电机M3第一次正向旋转 4 圈停车;停2s后,变频器所控电机M2以第二速段正向旋转 6s停车(时间包含加速时间),第一次动作过程结束。停 1.5s后,步进电机M3第二次正向旋转 3圈停止;此时再停 2s 后,变频器所控电机M2按第一速段反向旋转 8s停车,当变频器所控电机M2停车的同时电机M1停转(在停转前的过程中电机M1一直保持三角形运转),第二次动作过程结束。停5s 后,M1按降压启动模式(星形)反转;4 s后,转入三角形运转(为保证转换时不出现短路,应在程序上使KMY转成KM△的时间间隔为 0.2秒)。同时,步进电机M3第三次反向旋转6圈停止;再停2s后,变频器所控电机M2按第三速段正向旋转,按下停止按钮SB2后,整个动作过程结束。
二、不考虑特殊情下系统故障的问题
在编程时考虑例如紧急停止、突然断电情况下系统当时的运行状态,重新启动时,按下启动按钮系统从当时状态恢复并继续运行、按下复位按钮再按启动按钮系统重新开始从头运行。
第四篇:沈阳理工大学plc课设报告(步进电机的运动控制)
摘 要
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置,每个脉冲使转轴步进一个步距角增量,输出角位移与输入脉冲数成正比,转速与输入脉冲成正比,转速与输入脉冲频率成正比。
步进电机的控制方式简单,属于开环控制,且无累积定位误差,有较高的定位精度,而PLC作为一种工业控制微机,是实现电机一体化的有力工具,因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。本控制系统的设计,由硬件设计和软件设计两部分组成。其中,硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序,最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
本文主要介绍了西门子S7-200在步进电机控制方面的应用。
关键词: 步进电机、PLC、西门子S7-200
目录
1.概述...........................................................................................................................1 2.硬件设计.....................................................................................................................2 2.1控制要求..........................................................................................................2 2.2选择PLC型号................................................................................................2 2.2.1 I/O点数的估计..................................................................................3 2.2.2 用户存储器容量的估算.....................................................................3 2.2.3 CPU功能与结构的选择....................................................................3 2.2.4机型选择..............................................................................................4 2.3 系统设计流程示意图....................................................................................4 2.4 I/O分配表.......................................................................................................5 2.5 I/O接线图.......................................................................................................5 3.软件设计....................................................................................................................6 3.1设计梯形图.....................................................................................................6 3.3.1 梯形图编程语言概述.........................................................................6 3.3.2 梯形图指令程序................................................................................6 3.2设计指令表......................................................................................................8 4.调试..........................................................................................................................10 5.结束语.......................................................................................................................11 6.参考文献...................................................................................................................12
I
1.概述
在电气信息时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制,所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量,从而达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
PLC全称可编程控制器,是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微机处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。随着PLC性价比的不断提高,其应用领域还将不断扩大。PLC对步进电机具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。
2.硬件设计
2.1控制要求
在步进电机单元完成本实验。
使用移位寄存器指令,可以大大简化程序设计。移位寄存器指令所描述的操作过程如下,若在输入端输入一串脉冲信号,在移位脉冲作用下,脉冲信号依次移位到各个寄存器的内部继电器中,并将这些内部继电器的状态输出,每个内部继电器可在不同的时间内得到由输入端输入的一串脉冲信号。
图2.1 步进电动机控制的模拟实验面板图
2.2选择PLC型号
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。目前,国内外生产PLC的厂家很多,不同的厂家的PLC场频随谈基本功能相似,但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不同。而同一厂家生产的PLC产品又有不同的系列,同一系列中又有不同的CPU型号,不同系列、不同型号的。因此,如何选择合适的机型至关重要。
PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模 2
块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
2.2.1I/O点数的估计
I/O点数是PLC的一项重要指标.合理选择I/O点数计可使系统满足控制要求,又可使系统总投资量最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入/输出设备情况来确定,一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩充,一般应在估计的总点数上再加上20%到30%的备用量。
2.2.2 用户存储器容量的估算
PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的,介于1-2KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关,如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。
2.2.3 CPU功能与结构的选择
PLC的功能日益强大,一般PLC都具有开关量逻
辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能,有些PLC还可扩展各种特殊功能模块,如通信模块、位置控制模块等,选型时可考虑以下几点:
1)功能与任务相适应
2)PLC的处理速度应满足实时控制的要求 3)PLC结构合理、机型统一 4)在线编程合理和离线编程的选择
2.2.4机型选择
综上所述,可知本次步进电动机控制的模拟中PLC型号选择:I/O点数的统计:输入1点(SD);输出4点(A、B、C、D),控制步进电机。SD为启动按钮。估计PLC用户程序长度:为I/O点数的(10-20)倍,选用S7-200 CPU226 CN AC/DC/RLY输出的PLC即能满足要求。
2.3 系统设计流程示意图
图2.2 系统设计流程图
2.4 I/O分配表
表2.1 I/O分配表
2.5 I/O接线图
图2.3 I/O接线图
3.软件设计
3.1设计梯形图 3.3.1 梯形图编程语言概述
梯形图(LAD)是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号,并简化了符号,还增加了一些功能性的指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体,面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂,很适合电气工程人员使用。梯形图(LAD)在PLC中使用得非常普遍,通常各厂家,各型号PLC都把它作为第一用户语言。
3.3.2 梯形图指令程序
3.2设计指令表
指令语句表(STL)使用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言,但比汇编语言直观易懂,编程简单,因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程,但比较抽象,一般于梯形图语言配合使用,互为互补。目前,大多数PLC都有语句表编程功能,但各厂家生产PLC的语句表(STL)所用的助记符互不相同,不能兼容。
Network 1 // 网络标题
LD T40 EU SHRB M0.0, M20.0, +4
Network 2 LD M20.4 ON I0.0 R M20.0, 4
Network 3 LD M20.3 ON I0.0 R M0.1, 1
Network 4 LD M20.0 S M0.1, 1 Network 5 LD I0.0 AN M0.1 = M0.0 Network 6 LD I0.0 AN T41 TON T40, +1
Network 7 LD T40 TON T41, +1
Network 8 LD M20.0 = Q0.0
Network 9 LD M20.1 = Q0.1
Network 10 LD M20.2 = Q0.2
Network 11 LD M20.3 = Q0.3
4.调试
步进电机的控制系统由可编程控制器和步进电机功率驱动器组成,控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲,控制步进电机的转角;同时通过编程控制脉冲频率。
在输入端输入一串脉冲信号(1000),在移位脉冲作用下,此脉冲信号依次移位(1000-0100-0010-0001-1000-…...)至各个寄存器的内部继电器(Q0.0-Q0.1-Q0.2-Q0.3-Q0.0-……)中,并将这些内部继电器的状态输出(LED灯A亮-B亮-C亮-D亮-A亮-……)。
若将梯形图网络三中复位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3,各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变(1000-0100-0010-0001,即A亮-B亮-C亮-D亮),不会循环移位;
若将梯形图网络四中置位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3,各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变(1000-1100-1110-1111,即A亮-AB亮-ABC亮-ABCD亮),不会循环移位。
5.结束语
这次课程设计我不仅把知识融会贯通,而且丰富了大脑,同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识,开拓了视野,认识了将来电子的发展方向,使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
课程设计是对学校所学知识的全面总结和综合应用,对所学知识理论的检验与总结,能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力。
在不断的努力下我的课程设计终于完成了。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了,面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。通过这次毕业设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。
不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多,真是万事开头难,不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外,还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
总之,通过这次课程设计大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富,使我终身受益。
6.参考文献
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第五篇:PLC在物料搬运机械手控制中的应用
引言
机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线[1>。笔者开发的用于热处理淬火加工的物料搬运机械手,采用PLC控制,是一种按预先设定的程序进行工件分拣、搬运和淬火加工的自动化装置,可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业,并可根据工件的变化以及淬火工艺的要求随时更改相关控制参数。物料搬运机械手结构
如图1所示,物料搬运机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手,主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。其中,腰部采用步进电机驱动旋转,手臂及气爪采用气缸等气动元件。对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成,用以将不同长度的工件经分拣后送至各自的轨道中,并在轨道终端进行淬火加工,加工完毕后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。机械手抓取长、短工件的顺序不是固定的,要视物料分拣装置的分拣结果以及长、短工件哪一个先到达轨道终端来定。但机械手对工件的堆放顺序却是固定的,要按照一定的规律堆放(如图1中,长、短工件各放一边,以4个为一组进行堆放),并且堆放工件的位置精度也是有要求的。
图1 物料搬运机械手装置结构示意图 机械手控制系统组成
由于取工件和堆放工件都有定位精度要求,所以在机械手控制中,除了要对垂直手臂滑块气缸、气爪等普通气缸进行控制外,还要涉及到对水平手臂气缸以及机械手腰部回转的伺服控制。其中,机械手水平手臂气缸的伺服控制采用气动比例伺服控制系统;机械手的回转控制则采用三相混和式步进电机及其控制系统。考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性,对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器,上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作(如图2所示),PLC采用日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC(16点输入、16点输出)。
图2 基于PLC的机械手控制系统硬件原理图
步进电机选用深圳白山机电公司的BS110HB3L142-04型三相混合式步进电机,最大扭矩:12Nm;保持转矩:13.5Nm;额定电流4.2A。步进电机驱动器性能的优劣,直接关系到步进电机的正常运行,必须合理选配。为此,我们仍选择白山公司与BS110三相混合式步进电机配套的Q3HB220M等角度恒力矩细分型驱动器,定位精度可达30000步/转。为了确保步进电机控制的稳定性、可靠性以及便于日后维护,我们选择与FX2N系列PLC配套的脉冲发生单元FX2N-1PG作为步进电机驱动器的控制单元[2>。PLC通过扩展电缆、控制信号以及FROM/TO指令对1PG进行控制,向1PG发出定位命令,然后由1PG通过向步进电机驱动器输出指定数量的脉冲(最大100KPPS)来具体执行这个定位命令,从而最终实现PLC对步进电机的伺服定位控制,既提高了控制的灵活性和可靠性, 又便于控制程序的编写。
在图2中,FX2N-1PG的FP和RP分别与步进电机的DR-和PU-端子相连,表示输出脉冲类型分别为前向脉冲和反向脉冲。1PG的DOG端为确定步进电机原点位置时所用。在调试时,当步进电机接近原点位置时,应通过此端对应的按钮接通24V电源,从而使步进电机开始以原点返回速度(爬行速度)转动,以便在到达设定的原点位置时方便于PG0端的控制。PG0+和PG0-为步进电机到达原点位置时的停转控制信号,需外加一个5V电源,正端接PG0+,负端通过开关K与PG0-相连。当步进电机在DOG信号的控制下缓慢转动到达设定的原点位置时,可通过手动或行程开关触发PG0+和PG0-,使两端接通5V电源,于是电机停转,并将原点位置记录下来,存贮在1PG的BFM#26和#27这2个寄存器中,作为PLC对步进电机进一步控制的基准和重要参数。
气动比例伺服控制系统采用德国Festo公司的相关产品,主要由HMP坐标气缸、伺服定位控制器SPC200以及与之配套的内置位移传感器MLO-POT-0225、气动伺服阀MPYE-5-1/8-LF-010-B和伺服定位控制连接器SPC-AIF-POT等装置组成。在图2的控制系统硬件接线中,主要涉及其中SPC200的DIO数字量I/O模块的接线[3>。从该图中可见,一方面PLC通过输出端Y0-Y3控制SPC200的定位指令(Record Select工作方式)记录号选取,并通过Y6启动伺服定位;另一方面SPC200又通过定位任务完成信号Q0.4(MC-A)将定位执行情况反馈到PLC的输入端X12,以便于PLC 的程序控制。
在滑块气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器,用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号,并结合步进电机和气动伺服的启停信号,在PLC的控制下,就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制,进而实现气缸的动作。控制系统PLC程序设计 4.1 步进电机初始化控制程序
PLC与1PG间通过FROM/TO指令进行联系。通过TO指令,PLC将控制命令及参数写入1PG的缓存,而在1PG控制下,步进电机的运行状态则由PLC通过FROM指令读入,以便程序处理。在图3所示的部分步进电机初始化程序中,PLC一旦通电运行,便在每一个循环执行周期中将其M0~M15寄存器的内容写入1PG的操作命令缓存“BFM#25”中,控制1PG的工作。同时,PLC还不断从1PG的“BFM#28”、“BFM#27”和“BFM#26”缓存中读入步进电机的运行状态和当前位置值,以便在逻辑控制中通过对这些输入值的处理来进一步控制机械手的动作。
图3 步进电机初始化控制程序
按设计要求,同类型工件每4个为一组放置,两种工件各自的堆放顺序不能互相干扰。因此,同类型的4个工件搬运为一个基本循环,在各自的工件循环中分别设置了相应的工件计数标志位。
4.2 机械手综合控制程序
综合前述的步进电机和气动伺服控制技术,同时结合对垂直手臂滑块气缸、气爪的控制要求, 下面给出机械手完成一次定位并抓取工件的部分PLC程序(如图4所示):
图4 机械手综合控制程序
该程序表明:当工件分拣加工完毕后,机械手首先转动一定的角度指向取工件位置,待步进电机定位结束后,垂直手臂滑块气缸活塞落下,然后水平手臂气缸在气动伺服控制下伸出设定的定位位移。定位位移是由PLC的输出端子(Y2~Y0)控制SPC200输入端子(I0.2~I0.0)的状态来决定的,如附表所示,从而实现了PLC对气动伺服定位的控制。当气动伺服定位结束后,气爪动作,夹紧工件。后续的搬运和放置工件的控制程序原理与之类似。
附表 PLC输出端子与SPC200输入端子接口状态对应表结束语
上述针对机械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制装置的特性,结构紧凑、控制可靠,目前在现场运行良好。作为一个相对独立的PLC控制系统,它还可以通过RS-485总线或CC-Link总线与生产线上的其它PLC及控制器组成工业控制网络, 实现更进一步的自动化生产控制。
参考文献
[1> 张建民.工业机器人[M>.北京:北京理工大学出版社,1996.[2> 三菱公司.FX2N-1PG PULSE GENERATOR UNIT USER’S MANUAL[Z>.2003.[3> FESTO公司.Pneumatic positioning system Smart Positioning Controller SPC200 Manual[Z>.2002
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