五自由度机械手臂及控制系统的设计

论文摘要

随着工业自动化的发展,机械手臂在工业的应用中越来越重要。机械手臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术。它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。本文介绍了国内机械手臂研究现状,描述了机械手臂控制系统的工作原理和动作实现过程。完成了五自由度机械手臂控制系统的设计,并设计了五自由度机械手臂的机械结构,对驱动电机以及PLC进行了选型。本文设计的五自由度机械手臂能够完成伸展、升降、手部的旋转、夹爪的倾斜以及抓取。通过使用PLC实现控制机械手臂的运行。可编程逻辑控制器是继电器控制和计算机控制基础上开发的产品,逐渐发展成以微器处理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自动控制装置。单独的PLC主模块难以实现五自由度机械手臂的控制。本文提供几种方法实现对机械手臂的控制,并进行比较。包括：增加定位模块,几个PLC组成N：N网络。机械手臂使用步进电机和直流电机驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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—个固定的角度称为“步距角”。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。机械手臂的定位使用半闭环控制,并使用光电编码器为定位提供反馈。在控制算法上,建立一PID控制器用于机械手臂的位置跟踪控制。通过调整PID参数,从而改善控制系统的性能,提高控制器的适应能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机械手臂研究的意义
• 1.2 国内外机械手臂的发展现状
• 1.3 机械手臂控制的研究内容
• 1.3.1 机器人的组成
• 1.3.2 机器手臂的驱动方式
• 1.3.3 机械手臂的机械结构
• 1.3.4 机械手臂的控制器
• 1.3.5 机械手臂的控制算法
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 五自由度机械手臂的机械结构设计
• 2.1 五自由度机械手臂的基本结构
• 2.2 上箱体组合
• 2.2.1 机械手臂升降轴
• 2.2.2 机械手臂伸展轴
• 2.3 机械手臂组合
• 2.3.1 机械臂的传动机构
• 2.3.2 手部旋转机构
• 2.3.3 夹爪倾斜机构
• 2.3.4 抓取机构
• 2.4 本章小结
• 第3章 五自由度机械手臂控制系统的设计
• 3.1 基于PLC的五自由度机械手臂控制系统
• 3.1.1 机械手臂伸展轴和升降轴的控制
• 3.1.2 手部旋转轴、夹爪倾斜轴的控制
• 3.1.3 抓取轴的控制
• 3.2 机械手臂中电机及驱动器的选用
• 3.2.1 机械手臂各轴电机的选择
• 3.2.2 步进电机驱动器的选择
• 3.3 可编程逻辑控制器的选择
• 3.3.1 本文中PLC选用的原则
• 3.3.2 FX1N对步进电机的控制
• 3.3.3 FX1N扩展设备的选用
• 3.4 本章小结
• 第4章 五自由度机械手臂控制的实现
• 4.1 Shoulder轴、Arm elevator轴的控制算法
• 4.1.1 位置式PID控制
• 4.1.2 PID控制器参数的整定
• 4.1.3 Shoulder轴、Arm elevator轴的控制过程
• 4.2 五自由度机械手臂的运动方式
• 4.3 PLC控制五自由度机械手臂的实现
• 4.3.1 用增加FX-1PG定位模块的方法实现手臂的控制
• 4.3.2 用N:N网络的方法实现手臂的控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢