基于PLC機(jī)械手設(shè)計(jì)本科機(jī)械專業(yè)畢業(yè)論文

1、 PAGE22 / NUMPAGES24畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)論文題目基于PLC機(jī)械手設(shè)計(jì)姓 名學(xué) 號(hào)專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化指導(dǎo)教師2014年3月10日摘 要工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技

2、術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。關(guān) 鍵 字工業(yè)機(jī)械手，電磁閥，可編程控制器（PLC） AbstractIndustrial manipulator is a kind of high-tech automated production equipment,which is developed in recent decades.Industrial manipulator is an important branch o

3、f industrial robots.Its characteristics is that it can do the expected task by programming , and it has the respective advantage of both man and machine on the structure and performance, particularly in the persons intelligence and adaptability.The accuracy of the manipulator operation and the abili

4、ty to work in the environment has a broad space for development in the field of national economy. Manipulator is a kind of multifunctional machine which can be automatically controlled and can be changed by new programming, it has multiple degrees of freedom and can complete the work carry objects i

5、n different environments.At first,the structure of manipulator is relatively simple,but in has a strong specificity.With the development of industrial technology, Industrial manipulator is produced with the process control to independently achieve repetitive operation, which is called universal mani

6、pulator for program control in wide scope of application, which is called shortly as general manipulator.Because of general manipulator can quickly change the working procedure with strong adaptability, it was widely quoted by changing in the medium and small batch production of products . Key words

7、 Industrial manipulator,Solenoid valve,Programmable Logic Controller(PLC) 目 錄HYPERLINK l _Toc10614225摘 要1HYPERLINK l _Toc10614226Abstract2HYPERLINK l _Toc10614227目 錄3HYPERLINK l _Toc10614228前 言4機(jī)械手簡(jiǎn)介5 1.1 機(jī)械手的發(fā)展史5 1.2 機(jī)械手的分類5 1.3 功能與構(gòu)成6 1.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)7 1.3.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7 1.3.3 控制系統(tǒng)8 1.4 課題的提出81.4.1 應(yīng)用前景8 1.4.2

8、 市場(chǎng)需求8 1.4.3 應(yīng)用領(lǐng)域9第二章 機(jī)械手整體設(shè)計(jì)方案92.1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)92.1.1機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的類型92.2 機(jī)械手工作過(guò)程10第三章 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1 可編程序控制器簡(jiǎn)介123.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)123.1.2 PLC的特點(diǎn)133.1.3 PLC的主要功能143.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)143.2.1 PLC選型143.2.2地址分配153.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)163.4 PLC程序的調(diào)試213.4.1 PLC控制的安裝與布線21結(jié) 論22參考文獻(xiàn)23前 言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)

9、或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的HYPERLINK :/baike.baidu /view/71290.htm工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于HYPERLINK :/baike.baidu /subview/996492/5114454.htm機(jī)械制造、HYPERLINK :/baike.baidu /view/841179.htm冶金、HYPERLINK :/baike.baidu /view/3476.htm電子、HYPERLINK :/b

10、aike.baidu /view/551094.htm輕工和HYPERLINK :/baike.baidu /view/972.htm原子能等部門。 在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機(jī)械手的最大優(yōu)勢(shì)可以重復(fù)的做同一動(dòng)作在機(jī)械正常情況下永遠(yuǎn)也不會(huì)覺(jué)得累！機(jī)械手臂的應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越廣泛,機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機(jī)械手是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。 機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式。特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)械手機(jī)器各

11、自的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手涉與到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)1。 第一章 機(jī)械手簡(jiǎn)介1.1 機(jī)械手的發(fā)展史它是在早期出現(xiàn)的HYPERLINK :/baike.baidu /view/263403.htm古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著HYPERLINK :/baike.baidu /view/3314.htm計(jì)算機(jī)和HYPERLINK :/baike.baidu /view/1604752.htm自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的

12、方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)HYPERLINK :/baike.baidu /view/81615.htm機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量

13、,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題。1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：

14、故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KuKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多2。 1.2 機(jī)械手的分類機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；

15、按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作HYPERLINK :/baike.baidu /view/9884.htm機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。 1.3 功能與構(gòu)成機(jī)械手是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成

16、各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)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(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組：1.4.1 1.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行

17、機(jī)構(gòu)分為手部、手臂、軀干；1、手部手部安裝在手臂的前端。手臂的孔中裝有傳動(dòng)軸，可把運(yùn)用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸曲手腕、開(kāi)閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)3種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。所謂沒(méi)有手指的手部，一般都是指真空吸盤或磁性吸盤。2、手臂手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的3個(gè)自由度都要精確地定位。手臂執(zhí)行如下的幾種功能：手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按

18、正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以與手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。常用導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式3。軀干 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。1.3.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)用得最多。液壓驅(qū)動(dòng)式 液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手通常由液動(dòng)機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達(dá)幾百千克以上），其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、

19、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。2、氣壓驅(qū)動(dòng)式其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。電氣驅(qū)動(dòng)式 電氣驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)400kg），信號(hào)檢測(cè)、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)（AC）為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和多桿機(jī)構(gòu)等）。有此機(jī)械手已

20、開(kāi)始采用無(wú)減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)（DD）這既可使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，又可提高控制精度。4、機(jī)械驅(qū)動(dòng)式機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。其特點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅(qū)動(dòng)，即液-氣或電-液混合驅(qū)動(dòng)4。1.3.3 控制系統(tǒng)機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲(chǔ)方式有分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。分離存儲(chǔ)是將各種控制因素的信

21、息分別存儲(chǔ)于兩種以上的存儲(chǔ)裝置中，如順序信息存儲(chǔ)于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶；位置信息存儲(chǔ)于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息全部存儲(chǔ)于一種存儲(chǔ)裝置，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況下使用。 其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場(chǎng)合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反復(fù)使用；穿孔帶容納的程序長(zhǎng)度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復(fù)使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲(chǔ)容量較大的場(chǎng)合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程序和精確程序來(lái)確定。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械

22、手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個(gè)凸輪分配給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)一周便完成一個(gè)循環(huán)。 1.4 課題的提出1.4.1 應(yīng)用前景 隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問(wèn)題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

23、1.4.2 市場(chǎng)需求機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域，迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。我國(guó)塑料機(jī)械已成為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國(guó)塑料機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個(gè)大因素：一是對(duì)高技術(shù)含量裝備的需求所帶來(lái)的設(shè)備

24、更新與舊設(shè)備的淘汰;二是海塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)塑料機(jī)械的需求旺盛5。 1.4.3 應(yīng)用領(lǐng)域1.工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造與某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）的制造等?；さ刃袠I(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配與物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的。 2.軍事領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些自動(dòng)的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對(duì)較為危險(xiǎn)的任務(wù)，比如，無(wú)人偵察機(jī)、拆除炸彈的機(jī)器人與掃雷機(jī)器人等。機(jī)器人還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程與后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來(lái)，去從事更加重

25、要的工作。3.娛樂(lè)領(lǐng)域：機(jī)器人在娛樂(lè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機(jī)器人足球大賽、機(jī)器人彈鋼琴和機(jī)器人寵物等。4.醫(yī)療領(lǐng)域：機(jī)器人主要用來(lái)輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運(yùn)送用藥品與自動(dòng)監(jiān)測(cè)病房的空氣質(zhì)量，等等。宜用機(jī)器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。美國(guó)還發(fā)明了一種可以進(jìn)入人體血管的微型機(jī)器人，幫助醫(yī)生在病人的血管滅殺病毒。第二章 機(jī)械手整體設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)2.1.1機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的類型1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)

26、機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)與搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。3. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)

27、實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人6。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.2 機(jī)械手工作過(guò)程 本課題采用直角坐標(biāo)設(shè)計(jì)。機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手將完成一系列動(dòng)作：從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，

28、下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，機(jī)械手下降停止；同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)，右移電磁閥斷電，機(jī)械手右移停止。若此時(shí)工作臺(tái)上無(wú)工件，則光電開(kāi)關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。于是又開(kāi)始下降放松再上升左移，回到原點(diǎn)。至此機(jī)械手經(jīng)過(guò)8步動(dòng)作完成了一個(gè)周期。上訴過(guò)程中，機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動(dòng)作的轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制的，而夾緊、放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間來(lái)控制的。光電開(kāi)關(guān)的作用是為了保證機(jī)械手

29、右移到位后，必須在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才能下降，若上次搬運(yùn)到右工作臺(tái)上的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停等待。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)共組，直到停止按鈕，機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的工作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。 啟動(dòng)控制有2種，1個(gè)由啟動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，1個(gè)由通過(guò)組態(tài)王軟件控制。在控制面板上，安裝一個(gè)檔位開(kāi)關(guān)，分手動(dòng)和自動(dòng)兩大檔位，手動(dòng)擋包括調(diào)試和回原位兩檔，自動(dòng)擋分單步、半自動(dòng)和全自動(dòng)三檔，要求自動(dòng)擋的操作必須在回原位的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。 原位 下降 夾緊 上升 右移 左移 上移 放松 下降 第三章 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 可編程序控制器簡(jiǎn)介可編程序控制器（Progra

30、mmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，它不斷吸收微計(jì)算機(jī)技術(shù)使之功能不斷增強(qiáng)，逐漸適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)7 。3.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)PLC和一般的微型計(jì)算機(jī)基本一樣，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴(kuò)展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過(guò)總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 圖3-1 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖 PLC的軟件系統(tǒng)是指PLC所使用的各種程序的集合，通?？煞譃橄到y(tǒng)程序和用戶

31、程序兩大部分。系統(tǒng)程序是每一個(gè)PLC成品必須包括的部分，由PLC廠家提供，用于控制PLC本身的運(yùn)行，系統(tǒng)程序固化在EPROM中。用戶程序是由用戶根據(jù)控制需要而編寫(xiě)的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。3.1.2 PLC的特點(diǎn)可編程序控制器是一種以微機(jī)處理器為核心的工業(yè)通用自動(dòng)控制裝置，其實(shí)質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。國(guó)外現(xiàn)有的機(jī)械手系統(tǒng)，它們的控制形式大都采用可編程序控制器控制，特別是在智能化要求程度高容量大的現(xiàn)代化工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍8。其主要原因是因?yàn)镻LC具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、靈活、通用在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制器件是大量的繼電器，

32、整個(gè)系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果因?yàn)楣に嚿系纳栽S變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個(gè)電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進(jìn)行布線、焊接、固定等工作，浪費(fèi)了大量的人力、物力和時(shí)間。而可編程控制器是通過(guò)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以與改動(dòng)極少量的接線即可。而且，同一臺(tái)可編程控制器還可以用于不同的控制對(duì)象，只要改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求，因此具有很大的靈活性、通用性。2、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)對(duì)于機(jī)械手系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可靠性、抗干擾能力是非常重要的指標(biāo)，如何能在各種工作環(huán)境和條件(如電

33、磁干擾、低溫潮濕、灰塵超高溫等)下，平穩(wěn)可靠的工作，將故障率降至最低，是研制每一種控制系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題?，F(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，其可靠性程度是使用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器所無(wú)法比擬的。為了保證PLC能在惡劣的工業(yè)環(huán)境可靠的工作，在其設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施，使其可以適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。3、操作方便、維修容易PLC采用電氣操作人員熟悉的梯形圖和功能助記符編程，使用戶十分方便的讀懂程序和編寫(xiě)、修改程序。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，幾乎不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫(xiě)好操作說(shuō)明書(shū)，操作人員經(jīng)短期的學(xué)

34、習(xí)就可以使用。4、功能強(qiáng)現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以與通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等。因此，它既可控制開(kāi)關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個(gè)機(jī)械手，又可控制一個(gè)機(jī)械手群；既可控制簡(jiǎn)單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場(chǎng)控制，又可遠(yuǎn)程控制。5、體積小、重量輕和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化由于PLC采用了半導(dǎo)體集成電路。因此具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。且PLC是為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、體積小巧，并由于具備很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備部，因而成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。同樣，可編程序

35、控制器控制也有其不足的地方，在性價(jià)比上要高于繼電器控制和單片機(jī)控制，其開(kāi)發(fā)潛力要差于單片機(jī)，并且通用性不好，不同廠家的可編程序控制器以與其附屬單元都是固定專用等等。3.1.3 PLC的主要功能PLC是一種應(yīng)用面很廣、發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動(dòng)化裝置，在工廠自動(dòng)化(FA)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)占重要地位。PLC系統(tǒng)主要有以下功能：多種控制功能；數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能；通信聯(lián)網(wǎng)功能；輸入、輸出接口調(diào)理功能；人機(jī)界面功能；編程、調(diào)試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價(jià)格一直在降低，雖然軟件價(jià)格占的比重有所增加，但是各廠商為了競(jìng)爭(zhēng)也相應(yīng)地降低了價(jià)格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計(jì)、編程和

36、投產(chǎn)周期，使總價(jià)格進(jìn)一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，將再次革新，滿足工業(yè)與民用控制的更高需求9。3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.2.1 PLC選型S7-200豐富的種類：CPU221：置10個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，不可擴(kuò)充；CPU222：置14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可擴(kuò)充到78路數(shù)字量I/O或10路模擬量I/O；CPU224：置24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可擴(kuò)充到168路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O；CPU226：置40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可擴(kuò)充到248路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O；選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比10?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼

37、顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能圍等選擇都有影響，在算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。綜合考慮，現(xiàn)選擇主機(jī)為西門子S7-200中的CPU226，因?yàn)樗軘U(kuò)展七個(gè)模塊。模塊1-模塊4為EM232，它是模擬量輸出模塊，每個(gè)模塊有兩個(gè)輸出通道，能夠滿足需要。電源為220V交流電1112。3.2.2地址分配（1）輸入地址分配：輸入地址輸入元件作用輸入元件符號(hào)I0.0停止按鈕SB1I0.1啟動(dòng)按鈕

38、SB2I0.2上限位開(kāi)關(guān)SQ1I0.3下限位開(kāi)關(guān)SQ2I0.4左限位開(kāi)關(guān)SQ3I0.5右限位開(kāi)關(guān)SQ4I0.6光電開(kāi)關(guān)PS0I0.7夾緊限位開(kāi)關(guān)SQ5I1.0松開(kāi)限位開(kāi)關(guān)SQ6（2）輸出地址分配：輸出地址輸出元件作用輸出元件符號(hào)Q0.0上升電磁閥YV1Q0.1下降電磁閥YV2Q0.2夾緊/松開(kāi)電磁閥YV3Q0.3左移電磁閥YV4Q0.4右移電磁閥YV5Q0.5原點(diǎn)指示燈EL1硬件PLC連接圖 通過(guò)機(jī)械手的輸入和輸出地址分配得出如下硬件連接圖：3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 機(jī)械手工作原理與過(guò)程：機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手將完成一系列動(dòng)作：從原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，下降電

39、磁閥Q0.1通電，機(jī)械手下降。下降到底時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)SQ2，下降電磁閥Q0.1斷電，機(jī)械手下降停止；同時(shí)接通夾緊電磁閥Q0.2，機(jī)械手夾緊。夾緊后，上升電磁閥Q0.1通電，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)SQ1，上升電磁閥Q0.0斷電，上升停止；同時(shí)接通右移電磁閥Q0.4，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)SQ4，右移電磁閥Q0.4斷電，機(jī)械手右移停止。若此時(shí)工作臺(tái)上無(wú)工件，則光電開(kāi)關(guān)PS0接通，下降電磁閥QO.1通電，機(jī)械手下降。于是又開(kāi)始下降放松再上升左移，回到原點(diǎn)。至此機(jī)械手經(jīng)過(guò)8步動(dòng)作完成了一個(gè)周期1314。上訴過(guò)程中，機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動(dòng)作的轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)

40、的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制的，而夾緊、放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間來(lái)控制的。光電開(kāi)關(guān)的作用是為了保證機(jī)械手右移到位后，必須在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才能下降，若上次搬運(yùn)到右工作臺(tái)上的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停等待。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)共組，直到按下停止按鈕，機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的工作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。根據(jù)機(jī)械手的工作過(guò)程現(xiàn)將機(jī)械手流程圖設(shè)計(jì)如下圖所示：通過(guò)機(jī)械手工作的流程圖得到相應(yīng)的軟件程序如下所示：3.4 PLC程序的調(diào)試由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過(guò)于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用

41、不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運(yùn)行。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。3.4.1 PLC控制的安裝與布線1、 輸入接線（1）輸入接線一般不要超過(guò)30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開(kāi)。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號(hào)干擾，使PLC輸入信號(hào)大大增強(qiáng)。2、電源接線電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小、波形畸變較小的電源，這對(duì)提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開(kāi)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開(kāi)關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來(lái)抗干擾。隔離變壓器是初級(jí)和次級(jí)之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個(gè)接地抽頭。初級(jí)與次級(jí)之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點(diǎn)位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點(diǎn)。在選用交流穩(wěn)壓器時(shí)，一般可按照實(shí)