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基于PLC的机械臂控制系统设计与实现

内容摘要

工业机械臂是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械臂是工业机器人的一个重要分支，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

本设计采用PLC作为控制器，实现对机械臂的控制。本文首先对可编程控制器进行相应的介绍。然后详细介绍了机械臂主要部件的结构设计和尺寸设计。通过分析机械臂的各功能实现形式和控制方式，给出各部分的实现方案。机械臂的全部动作由步进电机进行驱动。控制系统采用PLC，通过光电传感器的信号来触发机械臂动作，实现自动化过程。最终按照控制程序要求实现机械臂运动控制。本设计实现的机械臂可以提高实际作业中劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

关键词：机械臂；PLC；电磁阀

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外机械臂发展现状 5

1.2.2我国机械臂发展现状 7

1.3本文的主要内容 8

2系统总体设计 8

2.1机械臂控制系统概述 8

2.1.1机械臂结构示意图 9

2.1.2机械臂工作流程 9

2.2机械臂控制系统控制需求分析 9

2.3总体设计方案 10

2.4系统器件选型 10

2.4.1PLC介绍 10

2.4.2PLC的选型 13

2.4.3机械臂驱动的选择 13

3系统硬件设计 14

3.1PLC的I/O模块设计 14

3.2PLC原理接线图 15

3.3机械臂各结构的设计与控制 16

3.3.1机械臂模型的机能和特性 16

3.3.2夹紧机构 16

3.3.3躯干 16

3.3.4旋转编码盘 16

3.4控制模块设计 17

4系统软件设计 17

4.1系统软件总体设计 18

4.2各模块的程序设计 19

4.2.1手动控制程序 19

4.2.2复位控制程序 20

4.2.3自动控制程序 23

5结论 24

参考文献 25

1绪论

1.1课题的背景及意义

现如今随着科学技术的不断发展，PLC技术也获得了极大地提升，并在电力工程系统中得到普遍的应用，发挥着巨大的作用。该技术在电力系统中的应用与发展，为电力工程提供了强大的技术支撑，极大地提升了电力工程系统的自动化水平，成为电力工程控制领域的主流技术手段[1]。

机器人技术是一个相对单一的新技术领域，它改变了传统的工程界限。处理机器人及其应用的复杂性需要一些机械工程系统、电气工程系统、工业工程、计算机科学、经济学和数学方面的知识。众所周知，不同的工程技术，如应用工程、知识工程和制造工程，可以应对机器人技术和工厂自动化的挑战[5]。

近年来，机器人科学发展非常迅速，除了控制技术和计算机系统编程的发展之外，计算机科学和传感器系统技术也迅速发展。提出了许多研究来提高工业机器人的精度，例如：机器人校准、定时、运动控制和路径规划。

在机器人技术中，可以提出两种类型的运动，拾取和放置运动和路径约束运动[1]。取放运动描述为机器人系统的运动，而对于路径受限的运动，末端执行器需要遵循一定的路径。在加工应用中，刀具路径是已知的，并被建议为一组切削刀具必须经过的点。路径生成考虑了碰撞避免和机器人工作空间。由于环境限制[6]会调整表面上的路径。工业机器人用于准确高效地完成重复的简单任务。但是工业机器人在工业环境中具有基于装配的应用的局限性。

工业机械臂应该不仅仅是一组机械臂。机械联动装置只是主要机器人系统中的一个组件，它由手臂、电源、夹具、内部和外部传感器、计算机接口和计算机控制组成。甚至软件编程也应该被视为机器人系统的一个组成部分，因为机器人的编程和控制方式可以对其性能和应用程序的后续过程产生强大的影响[7][8]。

PLC控制系统的本质上就是一种应用在工业领域控制的计算机技术，属于编程逻辑上的控制器，这是一种为工业控制量身打造的拥有数字技术的电子装置，是工业控制的核心技术。它的工作方式是通过本身自带的程序，执行已经编写好的逻辑计算，进行顺向的程序控制。完成定时、计算等方面的指令。PLC控制系统的发展路程要追溯到二十世纪的六十年代，最早是由美国发明的，经过这么多年的发展，再加上计算机技术、数字技术、控制技术的加持，PLC控制技术已经发展的非常完善，并且突破其自身的局限，不再单纯的只拥有控制技术，也在运动控制、模拟运算和处理有着完善的功能运用。

PLC技术是在