摘要:现代自动控制技术的进步为探测工作和科学研究开辟了新的可能性，开拓了人力所难以胜任的科学工作。机械臂控制系统作为一个集控制器编程，传感信号检测，运动学解析，轨迹规划于一体的综合控制系统，在现代工业自动化领域中得到越来越广泛应用，而对机械臂控制系统的研究有助于提高机械臂的工作效率以及工作环境的安全性。

本课题主要研究的是基于PLC的机械臂控制系统设计。首先介绍了以PLC控制器为核心的系统设计，采用步进电机驱动器驱动步进电机作为机械臂的关节点构建起整个机械臂整体，然后对每个连杆按法则所建立的坐标系确定D-H参数从而建立起数学模型，以此推算出机械臂的正运动学方程，再对正运动学方程求逆解。采用Matlab中的Rotics ToolBox工具箱根据数学模型建立起机械臂模型并进行仿真，并对其进行轨迹规划。编程时先对PLC的I/O口进行分配，使用人机界面控制机械臂的起停并对机械臂的运行个状态进行实时监控。通过运动学算法分析将码垛点的距离坐标并转化为脉冲坐标，然后通过PLC程序实现机械臂系统搬运码垛的自动控制。

此次设计实现了以运动学为理论基础，在Matlab仿真平台建立起了运动学仿真模型并实现了轨迹最优规划。可以通过触摸屏控制机械臂启停与状态监控，实现了其搬运过程的平稳与快速。

关键词：机械臂，PLC，堆垛，四自由度

目  录

摘  要

ABSTRACT

第一章  绪论-1

1.1 课题研究的意义和价值-1

1.2 国内外发展现状及发展趋势-1

1.2.1 国外研究状况及发展趋势-1

1.2.2 国内研究状况及发展趋势-5

1.3 本课题研究内容-6

第二章  硬件系统总体设计方案-7

2.1 系统总体设计要求-7

2.2 方案设计-7

2.3 基于PLC控制机械臂的系统总体设计-8

第三章  运动学分析及仿真-9

3.1 四自由度机械臂的技术参数-9

3.2 路径轨迹规划-9

3.3 运动学分析-10

3.3.1正运动学分析-10

3.3.2逆运动学分析-12

3.4 仿真软件与工具箱介绍-13

3.5 关节坐标系的建立-13

3.6 仿真过程-15

3.7 仿真结果分析-17

第四章  系统的硬件设计-18

4.1 硬件总体设计-18

4.2 PLC的选用-18

4.3 电机选择-20

4.4 步进电机驱动器选型-21

4.5 传感器选择-22

4.6 微动开关选择-23

4.7 减速器选择-24

4.8 开关按钮选择-24

4.9 电气原理接线-25

第五章  控制系统软件设计-26

5.1 控制器I/O口分配-26

5.2 编程环境介绍-26

5.3 系统工作流程设计-26

5.3.1 原点回归运动分析-27

5.3.2 脉冲频率和脉冲数分析-28

5.4 程序设计-29

第六章  系统调试与测试-33

6.1 系统的硬件调试-33

6.1.1 机械臂安装-33

6.1.2 硬件接线与调试-33

6.2 系统的软件调试-34

第七章  总结与分析-37

7.1 毕业设计总结-37

7.2 码垛机器人的经济性、安全性以及社会和环境影响的分析-37

7.2.1 经济性分析-37

7.2.2 安全性分析-37

7.2.3 对社会和环境的影响-38

参考文献-39

致谢-40