機械手自動化控制

1、畢業(yè)設計（論文）1、 機械手發(fā)展經(jīng)歷及主要構(gòu)成 機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人。1.1發(fā)展歷史機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的

2、“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工、原子能和制藥等行業(yè)。1.2構(gòu)成部分 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的

3、自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有23個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。1.3機械手分類機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。1.4多關(guān)節(jié)機械手的優(yōu)勢多關(guān)節(jié)機械手的優(yōu)點是：動

4、作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作。隨著生產(chǎn)的需要，對多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機械手所不能比擬的。1.5機械手發(fā)展大事記 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。（電磁鐵工件抓放機構(gòu)） 1962年，美國聯(lián)合控制公司試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型

5、工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。2、基于S7-200的機械手PLC控制程序 S7-200 PLC(Program Logic Controler)是德國西門子公司生產(chǎn)的小型可編程控制器，具有良好的可擴展性、價格低廉、指令功能強大, 十分適合在機械手控制系統(tǒng)中應用。但一般在工業(yè)機器人執(zhí)行機械手機構(gòu)多為形狀簡單的夾鉗式、托持式、吸附式等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)和抓握目標物的原理決定了其有限的抓握功能。隨著機器人應用范圍的日益擴大和向智能化、擬人化方向

6、的發(fā)展, 其手部也有多指多關(guān)節(jié)的擬人化要求；另外在工傷、事故中斷手的殘疾人也需要功能價格比高的多關(guān)節(jié)機械手。為此我們研制出一套新的基于S7-200 PLC的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。由于PLC控制受環(huán)境的限制，在使用過程中會受到各種干擾，影響系統(tǒng)的可靠性。因此必須采取各種抗干擾措施，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。3、西門子公司及S7-200主要參數(shù)功能介紹 西門子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI）是世界最大的機電類公司之一，1847年由維爾納

7、83;馮·西門子建立。如今，它的國際總部位于德國慕尼黑。西門子股份公司是在法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所上市的公司。2005年，西門子全集團在190個國家和地區(qū)雇用員工460,800人，全球收入為754.45億歐元（2004年為702.37億歐元），稅后利潤較2004年的36.6億歐元降至24.2億歐元。 西門子是一家大型國際公司，其業(yè)務遍及全球190多個國家，在全世界擁有大約600家工廠、研發(fā)中心和銷售辦事處。公司的業(yè)務主要集中于6大領(lǐng)域：信息和通訊、自動化和控制、電力、交通、醫(yī)療系統(tǒng)和照明。西門子的全球業(yè)務運營分別由13個業(yè)務集團負責，其中包括西門子財務服務有限公司和西門子房

8、地資產(chǎn)管理集團。此外，西門子還擁有兩家合資企業(yè)博士西門子家用電器集團和富士通計算機（控股）公司。 S7-200 是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。3.1適用范圍 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機

9、械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU可供選擇使用。3.2模擬電位器 CPU 221/222 1個 CPU 224/224XP/226 2個3.3脈沖輸出 2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。3.4電池模塊用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。3.5各型號的優(yōu)點 CPU221 本機集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點。無I/O擴展能力

10、。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 CPU222 本機集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點?？蛇B接2個擴展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 CPU224 本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至

11、168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 CPU224XP本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有

12、PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 4、機械手設計要求及功能 圖3.1機械手模擬控制窗口如圖所示。圖中機械手可抓緊、放送工件，可上下、左右移動，模擬界面的右側(cè)為按控制要求設計的操作臺。4.1控制要求機械手設有調(diào)整、連續(xù)、單周及步進四種工作方式，工作時要首先選擇工作方式，然后操作對應按鈕。4.2機械手運行方式 4.2.1調(diào)整工作方式可按相應按鈕實現(xiàn)左移、右移、上移、下移、加緊、放松各個動作的單獨調(diào)整。

13、 4.2.2連續(xù)工作方式按下起動按鈕，機械手按下降加緊上升右移下降放松上升左移的順序周而復始的連續(xù)工作；按下停止按鈕，機械手將自動結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。 4.2.3單周工作方式 按下起動按鈕后，機械手按下降加緊上升右移下降放松上升左移的順序自動工作一個周期停止。若要再工作一個周期，可再次按下起動按鈕。按下停止按鈕，機械手將自動結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。 4.2.4步進工作方式每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。4.3程序設計要點由機械手的工作過程可知，這是一個典型的順序控制系統(tǒng)。

14、為此，可從機械手的連續(xù)工作方式入手編寫程序。首先應繪出連續(xù)工作時的功能表圖，然后直接列寫邏輯表達式，用觸點線圈指令編程，也可使用置位復位指令或順序控制繼電器指令來完成。為了將每一步的工作狀態(tài)顯示出來，動畫模擬軟件使用了內(nèi)部存儲器位M51、M52、M53、M54、M55、M56、M57、M40、M41來分別表示的運行狀態(tài)。編程過程中，需要注意特別處理的問題是、和、步的動作問題，雖然、步都是下降操作，但卻具有不同的意義，步下降是空鉤下降，而步下降則是夾著工件下降。、步的上升操作也是這樣。 單周期操作的程序?qū)崿F(xiàn)可在連續(xù)工作程序的基礎上通過經(jīng)驗修改實現(xiàn)。其要點是是設法阻止機械手在一個周期工作結(jié)束后自動

15、進入下一周期，一般在下降的啟動回路想辦法。 單步操作的實現(xiàn)與單周期工作的實現(xiàn)是相似的。即設法在每一步工作結(jié)束后，不是直接啟動下一步的工作，而是等待啟動按鈕的命令后再工作。4.4程序結(jié)構(gòu)框圖 圖3.4.15、結(jié)論該設計方式初步滿足了設計要求，實驗證明能夠按照設定的工作方式穩(wěn)定運行。以上是在同一個順序控制程序中完成的連續(xù)工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路，實際上也可以采用分段跳轉(zhuǎn)的辦法來完成這三種操作。這種方法編制的程序結(jié)構(gòu)清晰，但程序數(shù)量長于前一種方法。機械手在我國的經(jīng)濟建設中擔當著重要的角色，隨著我國現(xiàn)代化經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，我國制造行業(yè)所面臨的國際社會的巨大競爭壓力和挑戰(zhàn)日益加劇。從節(jié)

16、約能源，保護環(huán)境出發(fā)，高效率、高智能的機械手是目前國際發(fā)展的趨勢。這樣看來，推廣中國的高效率、高智能機械手是非常有必要的。但是在日常使用過程中如何去維護好，其影響可見一斑。本文著重從機械手的技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀、工作原理、運行系統(tǒng)等進行了初略的探討和分析，希望能給正在或即將從事機械手工作的人士一些幫助。 參考資料 1 林偉. 典型機電一體化系統(tǒng)及應用M 高等教育出版社 2 陳遠玲、黎亞元、富國強 機床電氣自動控制M 重慶大學出版社 3 王承義 機械手及其應用M 機械工業(yè)出版社 4 王建明 自動線與工業(yè)機械手技術(shù)M 天津大學出版社 5 楊后川、高建設 西門子S7-200PLC應用100例M 電子工業(yè)出版社 6 肖峰、賀哲榮 PLC編程100例M 中國電力出版社致謝多年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。多年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的指導老師。我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術(shù)目標，領(lǐng)會