機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的機械手控制系統(tǒng)

1、安徽工商職業(yè)學(xué)院課題名稱 基于plc的機械手控制系統(tǒng) 課題性質(zhì) 專業(yè) 機電一體化技術(shù) 班 級 09機電3班 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 教研室主任 系部主任 發(fā)放日期 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書一、 課題條件：二、 畢業(yè)論文（設(shè)計）主要內(nèi)容：1、 運用plc實現(xiàn)工業(yè)控制中常見的機械手控制方法。2、 論文總體方案設(shè)計.3、 plc的選型和i/0地址分配。4、 控制系統(tǒng)原理圖與電氣線路安裝設(shè)計圖。5、 程序的編寫與調(diào)試（梯形圖、指令表、狀態(tài)流程圖等），并給出相應(yīng)的軟件仿真結(jié)果。6、 論文總結(jié)（設(shè)計思想和調(diào)試心得）三、 計劃進(jìn)度：6月下旬下發(fā)課題、課題匯總、確定指導(dǎo)教師并在放假前完成第一輔導(dǎo)7-8月 學(xué)生

2、自己查閱組織材料，可能的情況下利用便利條件和指導(dǎo)教師通過網(wǎng)絡(luò)交流9月份 硬件系統(tǒng)設(shè)計10月份 軟件系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試11月中旬左右 答辯。四、 主要參考文獻(xiàn)：指導(dǎo)教師 （系）教研室主任 年 月 日 年 月 日 說明：畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書由指導(dǎo)老師根據(jù)課題的具體情況填寫，經(jīng)系部審查，系主任簽字后生效。此任務(wù)書在畢業(yè)設(shè)計開始前一周內(nèi)填寫并發(fā)給學(xué)生。摘要：目錄：1. 關(guān)于機械手1. 工業(yè)機械手的概述2. 機械手的組成3. 機械手的分類2. 三菱plc介紹1. 三菱plc的發(fā)展歷史2. fx系列plc的子系列1) fx1s系列plc2) fx1n系列plc3) fx2n系列plc4) fx2nc系列pl

3、c3. plc控制系統(tǒng)設(shè)計原則1. 最大限度地滿足控制要求保證2. plc控制系統(tǒng)安全可靠3. 力求簡單、經(jīng)濟、方便地使用及維修4. 適應(yīng)發(fā)展的需求4. 控制器件的選型1. 步進(jìn)電機及其驅(qū)動器2. 伺服電機及其驅(qū)動器3. 直流電機4. plc的選型5. 6.7. 8. 9.關(guān)于機械手1. 工業(yè)機械手的概述機械手在機械化.自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那么靈活，但它具有能不斷

4、重復(fù)工作和勞動、不知疲倦、不怕危險，抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到應(yīng)用，例如：1) 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。2) 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板；在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。3) 可以在勞動條件差、單調(diào)、重復(fù)、易于疲勞的工作環(huán)境下代替人的勞動。4) 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物品的搬運等。5) 可以應(yīng)用于宇宙及海洋的開發(fā)。6) 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和實驗。2. 機械手的組成機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形

5、式是相同的。一般由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1) 執(zhí)行機構(gòu) 機械手的執(zhí)行機構(gòu)由手、手腕、手臂和支柱組成。手是抓取機構(gòu)，又來加緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的機械手沒有手腕。支柱用來支撐手臂也可以根據(jù)需要做成移動的。2) 傳動系統(tǒng)傳動機構(gòu)的動作要由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 3) 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動作，簡單的機械手一般不設(shè)置專用地控制系統(tǒng)只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可

6、實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按要求進(jìn)行動作；動作復(fù)雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進(jìn)行控制。4) 輔助裝置輔助裝置是機械手各部的連接裝置，如:油箱、管道、儀表、基座等。3. 機械手的分類機械手按使用用途分：專用機械手，通用機械手。機械手按傳動方式分：機械式機械式、液壓式機械式、氣壓式機械式、電動機械式。三菱plc介紹1. 三菱plc的發(fā)展歷史三菱公司的plc是較早進(jìn)入中國市場的產(chǎn)品。其小型機f1/f2系列是f系列的升級產(chǎn)品，早期在我國的銷售量也不小。f1/f2系列加強了指令系統(tǒng)，增加了特殊功能單元和通信功能，比f系列有了更強的控制能力。繼f1/f2系列之后，20世紀(jì)80年代末三菱公

7、司又推出了fx系列，在容量、速度、特殊功能、網(wǎng)絡(luò)功能等方面都有了全面的加強。fx2系列是在90年代開發(fā)的整體式高功能小型機，它配有各種通信適配器和特殊功能單元。fx2n是最近幾年推出的高功能整體式小型機，它是fx2的換代產(chǎn)品，各種功能都有了全面的提升。近年來還不斷推出滿足不同要求的微型plc,如：fx0s、fx1s、fxon、fx1n以及系列等產(chǎn)品。三菱公司的大中型機有a系列、qna系列、q系列，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，i/o點數(shù)可達(dá)8192點。其中q系列具有超小的體積、豐富的機型、靈活的安裝方式、雙cpu協(xié)同處理、多存儲器、遠(yuǎn)程口令等特點，是三菱公司現(xiàn)有plc中最高性能的plc。三菱plc中的f

8、x2n是小型化、高速度、高性能和所有方面都是相當(dāng)fx系列中最高檔次的超小程序裝置，除輸出1625點的獨立用途外，還可以適用于多個基本組件的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的plc。2. fx系列plc的子系列1) fx1s系列plcfx1s系列plc是用于及小規(guī)模系統(tǒng)的超小型plc，可進(jìn)一步降低設(shè)備成本。該系列有16種基本單元，可組成1030個i/o點的系統(tǒng)，用戶存儲器（eeprom）容量為2kb步。fx1s可使用一塊i/o擴展板、串行通信擴展板或模擬量擴展板，可同時安裝顯示模塊和擴展板，有兩個內(nèi)置的設(shè)置參數(shù)用的小電位器。每個單元可同時輸出2點100khz的高速

9、脈沖，有7條特殊的定位指令。通過通信擴展板可實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，如：rs-232c、rs-422和rs-485通信，n：n鏈接、并行鏈接和計算機鏈接。2) fx1n系列plc fx1n有12種基本單元，可組成24128個i/o點的系統(tǒng)，并能使用特殊功能模塊、顯示模塊和擴展板。用戶存儲器容量為8kb步，有內(nèi)置的實時時鐘。pid指令可實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制，每個基本單元可同時輸出2點100khz的高速脈沖，有，有7條特殊的定位指令，有兩個內(nèi)置的設(shè)置參數(shù)用的小電位器。 通過通信擴展板或特殊適配器可實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，如：cc-link，as-i 網(wǎng)絡(luò)，rs-232c、rs-422和rs-485通

10、信，n:n鏈接、并行鏈接、計算機鏈接和i/o鏈接。3) fx2n系列plc fx2n是目前fx系列中功能較強、速度較快的微型plc，它有25種基本單元，它的基本指令執(zhí)行時間高達(dá)0.08us每條指令，內(nèi)置的用戶存儲器為8kb步，可擴展到16kb步，最大可擴展到256個i/o點。有多種特殊功能模塊或功能擴展板，可實現(xiàn)多軸定位控制，每個基本單元可擴展8個特殊單元。機內(nèi)有實時時鐘，pid指令可實現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。有功能很強的數(shù)學(xué)指令集，如浮點數(shù)運算、開平方和三角函數(shù)等。通過通信擴展板或特殊適配器可實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，如：cc-link，as-i 網(wǎng)絡(luò)、profibus、device net等開放式

11、網(wǎng)絡(luò)通信、rs-232c、rs-422和rs-485通信，n:n鏈接、并行鏈接、計算機鏈接和i/o鏈接。4) fx2nc系列plc fx2nc具有很高的性能體積比和較強的通信功能，可安裝到比標(biāo)準(zhǔn)的plc小很多的空間內(nèi)，它有5種基本單元。i/o型連接器可降低接線成本，節(jié)約接線時間。i/o點數(shù)可擴展到256點，最多可連接4個特殊功能模塊。利用內(nèi)置的功能，可控制兩軸（包括插補功能），通過增加擴展單元可控制多軸。 通過通信擴展板或特殊適配器可實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)鏈接，如：cc-link，as-i 網(wǎng)絡(luò)、profibus、device net等開放式網(wǎng)絡(luò)通信、rs-232c、rs-422和rs-485通信

12、，n:n鏈接、并行鏈接、計算機鏈接和i/o鏈接。fx2nc系列也可以使用fxon和fx2n的擴展模塊。plc控制系統(tǒng)設(shè)計原則任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計plc控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則：1. 最大限度的滿足控制要求充分發(fā)揮plc的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計plc控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計中的重點問題和疑點問題

13、。2. 保證plc控制系統(tǒng)安全可靠保證plc控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定地運行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。3. 力求簡單、經(jīng)濟、方便地使用及維修一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益，但是新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護也將導(dǎo)致運行自覺性的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益；另一方面也要注意不斷的降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)。4. 適應(yīng)發(fā)展的需求由

14、于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷的提高，設(shè)計時要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇plc、i/o模塊、i/o點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。控制器件的選型為達(dá)到精確控制的目的，根據(jù)市場情況，對各種關(guān)鍵器件選型如下：1. 步進(jìn)電機及其驅(qū)動器 機械手縱軸(y軸)和橫軸(x軸)選用的是北京四通電機技術(shù)有限公司的42byg250 c型兩相混合式步進(jìn)電機，步距角為0.9/1.8，電流1.5 a。m1是橫軸電機，帶動機械手機構(gòu)伸、縮；m2是縱軸電機，帶動機械手機構(gòu)上升、下降。所選用的步進(jìn)電機驅(qū)動器是sh-20403型，該驅(qū)動器采用1040v

15、直流供電，h橋 雙極 恒相電流驅(qū)動，最大3 a的8種輸出電流可選，最大64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選，輸入信號光電隔離，標(biāo)準(zhǔn)單脈沖接口，有脫機保持功能，半密閉式機殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境，提供節(jié)能的自動半電流方式。驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源設(shè)計，保證了驅(qū)動器可適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自情況在1040vdc之間選擇。一般來說較高的額定電源電壓有利于提高電機的高速力矩，但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。本驅(qū)動器最大輸出電流值為3 a/相(峰值)，通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7 三位可組合出8種狀態(tài)，對應(yīng)8種輸出電流，從0.9 a到3 a以配合不同的電機使用。本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細(xì)

16、分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分7種運行模式，利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3 三位可組合出不同的狀態(tài)2. 伺服電機及其驅(qū)動器機械手的旋轉(zhuǎn)動作采用松下伺服電機a系列小慣量msma5aza1g，其額定輸出50w、100/200v共用，旋轉(zhuǎn)編碼器規(guī)格為增量式(脈沖數(shù)2500p/r、分辨率10000p/r、引出線11線）；有油封，無制動器，軸采用鍵槽連接。該電機采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá)到500hz ；定位超調(diào)整定時間縮短為以往松下伺服電機產(chǎn)品v系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全閉環(huán)控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位，也可通過外接高精度

17、的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。具有常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增益調(diào)整兩種自動增益調(diào)整方式，還配有rs-485、rs-232 c 通信口，使上位控制器可同時控制多達(dá)16個軸。伺服電機驅(qū)動器為a系列msda5a3a1a，適用于小慣量電動機。3. 直流電機可回旋360的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)有直流無刷電機帶動，系統(tǒng)選用的是北京和時利公司生產(chǎn)的57bl1010h1無刷直流電機，其調(diào)速范圍寬、低速力矩大、運行平穩(wěn)、低噪音、效率高。無刷直流電機驅(qū)動器使用北京和時利公司生產(chǎn)的bl-0408驅(qū)動器，其采用2448v直流供電，有起、停及轉(zhuǎn)向控制、過流、過壓及堵、轉(zhuǎn)保護，且有故障報警輸出、外部模擬量調(diào)速、制動快

18、速停機等特點。4. plc的選型 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用omron公司生產(chǎn)的cpm2a 小型機。cpm2a在一個小巧的單元內(nèi)綜合有各種性能，包括同步脈沖控制、中斷輸入、脈沖輸出、模擬量設(shè)定和時鐘功能等。cpm2a的cpu單元又是一個獨立單元，能處理廣泛的機械控制應(yīng)用問題，所以它是在設(shè)備內(nèi)用作內(nèi)裝控制單元的理想產(chǎn)品。完整的通信功能保證了與個人計算機、其它omron pc和omron可編程終端的通信。這些通信能力使四軸聯(lián)動簡易機械手能方便的融合到工業(yè)控制系統(tǒng)中。5.搬運機械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車，電子，

19、機械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運, 可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。本機械手的機械結(jié)構(gòu)主要包括由兩個電磁閥控制的液壓鋼來實現(xiàn)機械手的上升下降運動及夾緊工件的動作，兩個轉(zhuǎn)速不同的電動機分別通過兩線圈控制電動機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車的快進(jìn)、慢進(jìn)、快退、慢退的運動運動；其動作轉(zhuǎn)換靠設(shè)置在各個不同部位的行程開關(guān)(sq1-sq9)產(chǎn)生的通斷信號傳輸?shù)絧lc控制器，通過plc內(nèi)部程序輸出不同的信號，從而驅(qū)動外部線圈來控制電動機或電磁閥產(chǎn)生不同的動作，可實現(xiàn)機械手的精確定位；其動作過程包括：下降、夾緊、上升、慢進(jìn)、快進(jìn)

20、、慢進(jìn)、延時、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手動、單步、單周期、連續(xù)；來滿足生產(chǎn)中的各種操作要求。關(guān)鍵詞：搬運機械手，可編程控制器（plc），液壓，電磁閥abstractwith the popularity of industrial automation and development, the demand for year-on-year increase of controller, handling the application of robot gradually popularity, mainly in the automotive, elec

21、tronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements o

22、f modern economic development.the manipulator mechanical structure includes two solenoid valves controlled by hydraulic manipulator steel to achieve the increased decline in sports and workpiece clamping action, the two different motor speed through the two motor coils positive control in order to a

23、chieve car of the fast-forward, slow forward, fast rewind, slow movement back movement; conversion by setting its action in various different parts of the trip switch (sq1 - sq9) generated on-off signal transmission to the plc controller, through the plc internal different output signal, which drive

24、s the external coil to control the motor or solenoid valves have a different action, the robot can achieve precise positioning; their course of action include: decline in clamping increased, slow forward, fast forward, slow progress, the extension of , the drop in, relax, rise, slow back, rewind, sl

25、ow back; its operation, including: back in situ, manual, single-step, single cycle, continuous; to meet the production requirements of the various operations and maintenance.keywords: handling mechanical hands, programmable logic controller (plc), hydraulic, solenoid valve目 錄前 言.1第一章 機械手的概況1.1 搬運機械手

26、的應(yīng)用簡況21.2 機械手的應(yīng)用意義31.3 機械手的發(fā)展概況3第三章 搬運機械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 搬運機械手結(jié)構(gòu)及其動作3.2 搬運機械手系統(tǒng)硬件設(shè)計3.3 搬運機械手控制程序設(shè)計1 操作面板及動作說明2 i/o分配3 梯形圖的設(shè)計1） 梯形圖的總體設(shè)計2） 各部分梯形圖的設(shè)計3） 繪制搬運機械手plc控制梯形圖結(jié) 論謝 辭參考文獻(xiàn). 附：語句表 梯形圖 i/o接線圖前 言機械手：mechanical hand，也被稱為自動手，auto hand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。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

27、環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。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(fù)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(shè)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(fù)雜。一般專用機械手有23個自由度

28、。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。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。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物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(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、累等勞動條件。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。第一章 機械手概況1.1搬運機械手的應(yīng)用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，

29、生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化

30、生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應(yīng)用于以下幾方面：1.熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。2.冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機械手的

31、發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.2機械手的應(yīng)用意義在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下：1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成

32、本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機

33、械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.3.3機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢1.3機械手的發(fā)展概況專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用

34、領(lǐng)域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(unimate)機械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快

35、速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊壳皺C械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system)和柔性制造單元fmc(flexible manufacturing cell)中重要一環(huán)。1.4機械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)

36、工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的

37、作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即

38、在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，

39、從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.5 plc概況及在機械手中的應(yīng)用1. 可編程序控制器的應(yīng)用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmable controller），現(xiàn)在一般簡稱為plc（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便

40、宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差2.plc的應(yīng)用概況plc的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的plc幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要plc，尤其近幾年來plc的性價比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按plc的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個方面。1）. 用于邏輯控制這是plc最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用plc取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控

41、制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）. 用于模擬量控制plc通過模擬量i/o模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。3）. 用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代plc具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（nc）及計算機控制（cnc）緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。4）. 用于工業(yè)機器人控制5）. 用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的plc具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)plc與plc之間、plc與遠(yuǎn)程i/o之間、plc與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。3. plc的特點1）. 可靠性高、抗干擾能力強plc能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫

42、度變化等中可靠地工作，plc的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的f1系列plc平均無故障時間間隔長達(dá)30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）. 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強由于plc是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當(dāng)控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變plc的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件程序。3自上世紀(jì)六十年代，機械手被實現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對它的開發(fā)應(yīng)用也在不斷發(fā)展，利用機械手搬運物體、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在了機械制造、冶金、化工、電力、采礦、建材、輕工、食品、環(huán)保等各行各業(yè)之中。比如：最典型的發(fā)展是生產(chǎn)者將此產(chǎn)品大量應(yīng)用于衛(wèi)生行業(yè)（全自動生化分析

43、儀），從而實現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗中急需短時間、大量樣品數(shù)據(jù)的要求，但在衛(wèi)生領(lǐng)域的機械手因采用樣品加單一酶試劑顯色法，且采用濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計，造成試劑價格昂貴，限制了產(chǎn)品市場的發(fā)展。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，機械手的設(shè)計已經(jīng)實破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。隨著社會的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場機械手的要求將越來越高，其技術(shù)也越來越成熟。機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。應(yīng)用plc控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。圖1 是機械手搬運物品示意圖。 圖1 機械手搬物示意圖圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶a

44、上的物品搬運到傳送帶b。為使機械手動作準(zhǔn)確，在機械手的極限位置安裝了限位開關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，對機械手分別進(jìn)行抓緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降動作的限位，并發(fā)出動作到位的輸入信號。傳送帶a上裝有光電開關(guān)sp，用于檢測傳送帶a上物品是否到位。機械手的起、停由圖中的起動按鈕sb1、停止按鈕sb2控制。傳送帶a、b由電動機拖動。機械手的上、下、左、右、抓緊、放松等動作由液壓驅(qū)動，并分別由六個電磁閥來控制。2 機械手的動作流程傳送帶b處于連續(xù)運行狀態(tài)，故不需要用plc控制。機械手及傳送帶c 順序動作的要求是：1) 按下起動按鈕sb1時，機械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁閥通電，手臂上升，至上升限位開關(guān)動作；2) 左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作；3