多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 . PAGE37 / NUMPAGES44 . 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文題 目 基于PLC的多關(guān)節(jié)機(jī)械手 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（

2、論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：摘 要隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動(dòng)，逐漸演變成自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具機(jī)械手。與此同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動(dòng)，在這些生產(chǎn)活動(dòng)中，有些是屬于高危險(xiǎn)的，對(duì)人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作，機(jī)械手

3、則正好適應(yīng)這類工作。在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以與堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。機(jī)械手是模仿著人手部的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。本文對(duì)多關(guān)節(jié)工業(yè)液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究。關(guān)鍵詞：三自由度機(jī)械手 PLC系統(tǒng)AbstractAs society and the develop

4、ment of science and technology，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolved into automatic and intelligent mode of production and human also gradually unable to complete some production process, so in order to adapt to t

5、he needs of the production of the appeared special production tools - manipulator.Meanwhile also appeared a few new production activities in these production activities, some are belong to high risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just, manipulator to meet th

6、is kind of work.In todays large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, industrial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterprise recognizes and adopt

7、ed. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot main bearing welding, spraying, handling and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally take the reappearance of

8、the demonstration teaching way.Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to realize the acquirement, handling and operation of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic structure of the manipulato

9、r are studied.Keywords:three doffmanipulatorPLC system目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc295298127第1章 PLC概述 PAGEREF _Toc295298127 h 1HYPERLINK l _Toc2952981281.1 PLC的定義 PAGEREF _Toc295298128 h 1HYPERLINK l _Toc2952981291.2 PLC的由來與發(fā)展 PAGEREF _Toc295298129 h 2HYPERLINK l _Toc2952981301.3 PLC的特點(diǎn)與用途 PAGE

10、REF _Toc295298130 h 3HYPERLINK l _Toc2952981311.3.1 PLC具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn) PAGEREF _Toc295298131 h 3HYPERLINK l _Toc2952981321.3.2 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 PAGEREF _Toc295298132 h 4HYPERLINK l _Toc2952981331.4 PLC的主要技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc295298133 h 4HYPERLINK l _Toc295298134第2章機(jī)械手簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc295298134 h 6HYPERLINK l _Toc2

11、952981352.1 控制系統(tǒng)的功能要求 PAGEREF _Toc295298135 h 6HYPERLINK l _Toc2952981362.1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc295298136 h 6HYPERLINK l _Toc295298137第3 章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295298137 h 9HYPERLINK l _Toc2952981383.1 PLC的選型 PAGEREF _Toc295298138 h 10HYPERLINK l _Toc2952981393.2 PLC 的I/O資源配置 PAGEREF _Toc295298139 h 11

12、HYPERLINK l _Toc2952981403.3 其他資源設(shè)置 PAGEREF _Toc295298140 h 14HYPERLINK l _Toc295298141第4 章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295298141 h 16HYPERLINK l _Toc2952981424.1 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295298142 h 16HYPERLINK l _Toc295298143總結(jié) PAGEREF _Toc295298143 h 31HYPERLINK l _Toc295298144致 PAGEREF _Toc295298144 h 33HYPE

13、RLINK l _Toc295298145參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295298145 h 34HYPERLINK l _Toc295298146附錄1：基于PLC的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc295298146 h 35HYPERLINK l _Toc295298147附錄2；基于PLC的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)程序清單 PAGEREF _Toc295298147 h 36第1章 PLC概述1.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱PLC，它具備了模擬量控制、過程控制以與遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能，所以美國(guó)電氣制造商

14、協(xié)會(huì)將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller）,簡(jiǎn)稱PC。但是個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）也簡(jiǎn)稱PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編程控制叫做PLC（Programmable Logic Controller）.PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它其實(shí)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，在其部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，它以接入式CPU為核心，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC與其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，

15、容易擴(kuò)展其功能的?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)。它是為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于PLC的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機(jī)械或生產(chǎn)過程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，這些都是個(gè)人計(jì)算機(jī)無法比擬的?？删幊炭刂破魇且环N通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備與生產(chǎn)過程。它的功能能夠很容易地?cái)U(kuò)展，它的程序是可以根據(jù)控制對(duì)象的不同，讓使用者來編制的。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各種場(chǎng)合。通過以上定義還可以了解到

16、，相對(duì)一般意義上的計(jì)算機(jī)，可編程控制器不僅具有計(jì)算機(jī)的核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。從另一個(gè)方面來說，它是一種通用機(jī)，經(jīng)過二次開發(fā)，它可以在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。它在很大程度上使的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)從專業(yè)走進(jìn)工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員甚至普通電氣工人力所能與的工作。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝接線簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，可編程控制器在短短的30年中獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。1.2 PLC的由來與發(fā)展1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺(tái)可編程序控制器（Pr

17、ogrammable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC），在美國(guó)通用汽車公司的自動(dòng)裝配線上使用，取得了巨大的成功。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送與處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算與處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)

18、生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能與極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，在世界第一臺(tái)可編程控制器的誕生地美國(guó)，1982年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，大量應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國(guó)重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的82%，可編程控制器的應(yīng)用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世

19、界。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)與超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都的到了長(zhǎng)足的發(fā)展。1.3 PLC的特點(diǎn)與用途1.3.1 PLC具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)1. 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。PLC由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，部電

20、路采取了輸入輸出信號(hào)的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強(qiáng)電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC的平均無故障時(shí)間可高達(dá)510萬小時(shí)以上。從PLC的機(jī)外電路來說，PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線與開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。2.功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣到現(xiàn)在為止PLC已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。PLC所具有的完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，PLC通訊能力

21、的增強(qiáng)與人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。3.編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用PLC采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以使用手持編程器或筆記本對(duì)PLC進(jìn)行編程。當(dāng)PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對(duì)PLC編程。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制提供了方便。4.系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低PLC在存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，功耗僅數(shù)瓦。由于PLC體積小很容易裝入機(jī)械部，

22、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。使得PLC的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下，PLC的價(jià)格也越來越低。1.3.2 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域PLC在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保與文化娛樂等各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類：1.開關(guān)量的邏輯控制可編程控制器可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制與自動(dòng)化流水線。2.模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Dig

23、ital）之間的A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換。3.運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。4.過程控制過程控制是指對(duì)連續(xù)變化的量進(jìn)行控制。如對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。目前已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合。1.4 PLC的主要技術(shù)指標(biāo)PLC的性能指標(biāo)較多，主要介紹與組成PLC控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個(gè)。1.編程語言與指令功能用戶的PLC程序可以用梯

24、形圖語言、指令標(biāo)語言、功能塊圖編寫，梯形圖語言在PLC中較為常見，梯形圖語言一般在計(jì)算機(jī)屏幕上編輯，使用起來簡(jiǎn)單方便。現(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢(shì)。編程語言中還有一個(gè)容是指令功能。衡量指令功能強(qiáng)弱可看兩個(gè)方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項(xiàng)專門操作。用戶編制的程序完成的控制任務(wù)，取決于PLC指令的多少，指令功能越多，編程越簡(jiǎn)單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。2.輸入輸出點(diǎn)數(shù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)是PLC可以接受的輸入開關(guān)信號(hào)和輸出開關(guān)信號(hào)的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點(diǎn)數(shù)往往的大于輸出點(diǎn)數(shù)的，且二者不能相互替代。3.掃描速度數(shù)掃描速度數(shù)是指PLC掃描1k（

25、1k=1024）字用戶程序所需的時(shí)間，通常以ms/k字為單位，掃描速度越快越好。4.存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是存放用戶程序的存儲(chǔ)器的容量。通常用k來表示。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在編制PLC程序時(shí)，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持?jǐn)?shù)據(jù)、定時(shí)計(jì)數(shù)、模塊設(shè)置和各種標(biāo)志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲(chǔ)器的容量越大，就可以編制出更復(fù)雜的程序。5.可擴(kuò)展性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中PLC的可擴(kuò)展性也顯的非常重要。主要包括：（1）輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；（2）存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展；（3）聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展；（4）可擴(kuò)展的模塊數(shù)；另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性與經(jīng)濟(jì)性等功能指示

26、也受用戶的關(guān)注。第2章 機(jī)械手簡(jiǎn)介多關(guān)節(jié)機(jī)械手指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個(gè)相鄰的剛體，即連桿，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是以其中一個(gè)特點(diǎn)，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的夾鉗式等機(jī)械手。它可以完成對(duì)不同形狀、不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機(jī)械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應(yīng)用最多的就是類似于人手的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能模擬人手抓物體時(shí)的情況。與傳統(tǒng)的機(jī)械手相比，多關(guān)節(jié)機(jī)械手具有動(dòng)作靈活，運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作等優(yōu)點(diǎn)。2.1 控制系統(tǒng)的功能要求傳統(tǒng)的機(jī)械手采用繼電氣控制，由于其線路復(fù)雜、維護(hù)困難、可靠性差等缺點(diǎn)，

27、無法滿足機(jī)械手控制的需求。可編程控制器（PLC）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決，PLC控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、功耗低和改造方便的特點(diǎn)，能夠完成動(dòng)作要求精度高的工作。2.1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機(jī)則是裝配先上較為復(fù)雜的部分。本節(jié)講述的是利用機(jī)械手在軸承裝配線上，通過PLC控制機(jī)械手的動(dòng)作，完成取軸承、加蓋與轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機(jī)完成壓蓋的整個(gè)過程。圖2-1是某以生產(chǎn)線上機(jī)械手的工作示意圖。圖2-1 機(jī)械手的工作示意圖該機(jī)械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶1轉(zhuǎn)移至傳送帶2上，然后將蓋放置于軸承之上，

28、最后經(jīng)壓蓋機(jī)加工，完成軸承裝配的一部分加工。整個(gè)工作過程機(jī)械手包括以下動(dòng)作：手臂上升手臂下降手爪抓緊手爪放松手臂左旋手臂右旋多關(guān)節(jié)機(jī)械手完成以上動(dòng)作主要是通過機(jī)械控制來實(shí)現(xiàn)的，即利用PLC控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和電磁閥的通斷，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降控制機(jī)械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過程如圖2-2所示：手爪放松傳送帶2手臂下降啟動(dòng)手臂上升手臂抓緊手臂下降傳送帶1手爪抓緊手臂右旋手臂上升圖2-2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手簡(jiǎn)單工作過程示意圖1.手臂上升：使機(jī)械手相對(duì)于工作臺(tái)向上移動(dòng)，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。2.手臂下降：使機(jī)械手相對(duì)于工作臺(tái)向下移動(dòng)，降低它

29、的高度，以滿足放置工件的高度要求。3.手爪抓緊：使機(jī)械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。4.手爪放松：使機(jī)械手放松工件，以便完成工件放松的要求。5.手臂左旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動(dòng)的要求。6.手臂右旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對(duì)于工作臺(tái)向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以與從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)出如圖2-3所示的機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖。電氣控制柜多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手圖2-3 多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能框圖第3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)前面介紹了機(jī)

30、械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置需要的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，按照控制系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)出如圖3-1所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠PLC主機(jī)是無法完成控制要求的，因此擴(kuò)展了一個(gè)I/O和兩個(gè)模擬量輸入/輸出模塊，以與兩個(gè)光電開關(guān)和一個(gè)可控電動(dòng)機(jī)，閥是指氣流只能向一個(gè)方向流動(dòng)而不能反向流動(dòng)通過的閥，是最簡(jiǎn)單的單向型方向閥。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，單向閥除單獨(dú)使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)

31、；當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實(shí)現(xiàn)流體反向自由流動(dòng)。當(dāng)正向流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動(dòng)時(shí)，單向閥打開，不節(jié)流。以下是控制系統(tǒng)的硬件框圖3-1。控制按鈕傳感器傳送帶B電磁閥右旋限位開關(guān)左旋限位開關(guān)下降限位開關(guān)右旋限位開關(guān)光電開關(guān)抓緊電磁閥上升電磁閥下降電磁閥左旋限位開關(guān)松開電磁閥上升限位開關(guān)PLC圖3-1 控制系統(tǒng)的硬件框圖3.1 PLC的選型根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為此機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。在西門子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226

32、等之分。三自由度工業(yè)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)總共有15個(gè)數(shù)字量輸入，8個(gè)數(shù)字量輸出，供需23點(diǎn)I/O口，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，選用了CPU224作為主機(jī)。 同時(shí)擴(kuò)展一個(gè)I/O模塊，選用EM223輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊。EM223共6種模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和資源需求，采用EM223模塊中的4點(diǎn)輸入/4出輸出模塊。 由于需要測(cè)量每個(gè)手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到PLC中進(jìn)行判斷，所以擴(kuò)展兩個(gè)模擬量模塊，全部選用EM235模塊。模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235具有4路模擬量輸入/1路模擬量輸出。 EM223和EM235與PLC的連接不需要其他設(shè)置，只需要將排線插到主機(jī)與擴(kuò)展模塊的插槽上。3.2 P

33、LC 的I/O資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC進(jìn)行I/O與其他資源的分配，具體分配如下。表3-1 數(shù)字量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0高速脈沖輸入I1.1自動(dòng)啟動(dòng)I0.1急停按鈕I1.2上升限位開關(guān)I0.2手動(dòng)/自動(dòng)I1.3下降限位開關(guān)I0.3手臂上升I1.4左旋限位開關(guān)I0.4手臂下降I1.5右旋限位開關(guān)I0.5手臂左旋I2.0傳送帶1光開關(guān)I0.6手臂右旋I2.1傳送帶2光開關(guān)I0.7手爪抓緊I2.2傳送帶2啟動(dòng)I1.0手爪放松I2.3壓蓋機(jī)啟動(dòng)表3-2 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備ATW0傳感器1ATW0傳感器4ATW0傳感器2ATW0

34、傳感器5ATW0傳感器3表3-3 數(shù)字量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0高速脈沖輸出Q0.5抓緊電磁閥Q0.1上升電磁閥Q0.6松開電磁閥Q0.2下降電磁閥Q0.7傳送帶2繼電器Q0.3左旋電磁閥Q1.0壓蓋機(jī)繼電器Q0.4右旋電磁閥根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，硬件框圖與I/O分配情況，三自由度工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC控制部分的硬件接線如圖3-2所示。高速脈沖輸出上升電磁閥下降電磁閥左旋電磁閥右旋電磁閥抓緊電磁閥松開電磁閥傳送帶2繼電器壓蓋機(jī)電磁閥高速脈沖輸入急停按鈕手動(dòng)/自動(dòng)手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓緊手爪松開自動(dòng)啟動(dòng)上升限位開關(guān)下降限位開關(guān)左旋限位開關(guān)右旋限位開關(guān)傳

35、送帶1光電開關(guān)傳送帶2啟動(dòng)壓蓋機(jī)啟動(dòng)I0.0I0.1 Q0.0 Q0.1I0.2I0.3 Q0.2I0.4I0.5 Q0.3 S7-200I0.6 CPU224 Q0.4I0.7 + EM223 Q0.5I1.0 I1.1 Q0.6I1.2 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0I1.5 I2.0I2.1I2.2I2.3AIW0AIW2AIW4 EM235AIW6AIW8傳感器1傳感器2傳感器3傳感器4傳感器5傳感器2傳感器3圖3-2 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC控制部分硬件連接圖3.3 其他資源設(shè)置要完成系統(tǒng)的功能除了PLC與其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器與編碼盤等儀器設(shè)

36、備。1.各種限位開關(guān)在此系統(tǒng)中，共用了4個(gè)限位開關(guān)：上升限位開關(guān)、下降限位開關(guān)、左旋限位開關(guān)和右旋限位開關(guān)。限位開關(guān)主要是來控制機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中的停止時(shí)刻和位置。2.光電開關(guān)在傳送帶1和傳送帶2上各有一個(gè)光電開關(guān)，此開關(guān)的作用主要是指示工件是否到位。傳送帶1上的光電開關(guān)用于檢測(cè)工件是否已到機(jī)械手可操作的工位，若到位則傳送帶1停止，等待工件被取走；傳送帶2上的光電開關(guān)則置于壓蓋機(jī)處，當(dāng)工件到達(dá)壓蓋機(jī)時(shí)，傳送帶2停止，對(duì)工件進(jìn)行壓蓋操作，操作結(jié)束后等待下一個(gè)工作。3.傳感器在此系統(tǒng)采用的是多關(guān)節(jié)機(jī)械手，由于要適應(yīng)各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入PLC

37、，然后進(jìn)行判斷，防止抓緊時(shí)壓力過大對(duì)工件造成損壞。4.各種電磁閥此系統(tǒng)中機(jī)械手手臂的上升和下降是用氣缸來實(shí)現(xiàn)的，使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)手臂的上升和下降，相對(duì)于利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)升降，氣缸控制簡(jiǎn)單方便。多關(guān)節(jié)機(jī)械手手爪的抓緊和松開共用了4個(gè)電磁閥。5.各種繼電器此系統(tǒng)中，傳送帶2并不需要時(shí)刻連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機(jī)械手的當(dāng)前工作情況有控制機(jī)械手的控制系統(tǒng)來控制傳送帶2的工作與否，該在什么時(shí)候啟動(dòng)傳送帶，該在什么時(shí)候停止傳送帶。因此，就必須在傳送帶2的電動(dòng)機(jī)部分裝一個(gè)可以控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再連接到PLC以控制接觸器，最后達(dá)到控制目的。壓蓋

38、機(jī)同樣也不需要時(shí)時(shí)刻刻工作，因此在壓蓋機(jī)附近放置的光電開關(guān)，可以將工件到位的信號(hào)傳至PLC，從而控制傳送帶2的停止，并且控制壓蓋機(jī)在工件到位的情況下工作。6.編碼器在此系統(tǒng)中，需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，要將電動(dòng)機(jī)反饋的信號(hào)同PLC發(fā)出的信號(hào)做比較，以檢測(cè)是否手臂準(zhǔn)確到位。7.各種按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下后旋轉(zhuǎn)復(fù)位；手動(dòng)/自動(dòng)按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕均采用觸點(diǎn)觸發(fā)方式，按下即接通，松開即復(fù)位。第4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4-1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖4.1 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)當(dāng)軟件總體流程圖設(shè)計(jì)完成后，就需要對(duì)各個(gè)控制過程進(jìn)行分解細(xì)化，這

39、樣在程序便攜式就會(huì)簡(jiǎn)潔明了，最后聯(lián)合起來調(diào)試也便于發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)控制過程特別復(fù)雜的時(shí)候，采用模塊化設(shè)計(jì)，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計(jì)，調(diào)試時(shí)先調(diào)試摸個(gè)模塊的功能，可以與早發(fā)現(xiàn)問題，到最后聯(lián)調(diào)試若出現(xiàn)問題就可以很快找出原因與時(shí)解決。程序中用到的元件與設(shè)置如表4-1所示。表4-1 元件設(shè)置編號(hào)意義容備注M0.0急停標(biāo)志on有效M0.1手動(dòng)標(biāo)志on有效M0.2自動(dòng)標(biāo)志on有效M1.0機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M1.1手臂左旋標(biāo)志on有效M1.2機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M1.3手爪抓緊工件標(biāo)志on有效M1.4機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M1.5手臂右旋標(biāo)志on有效M1.6機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M1.7手爪松開標(biāo)

40、志on有效M2.0機(jī)械手上升標(biāo)志on有效M2.1手爪抓緊工件標(biāo)志on有效M2.2機(jī)械手下降標(biāo)志on有效M2.3手爪松開端蓋標(biāo)志on有效M2.4傳送帶2啟動(dòng)標(biāo)志on有效M2.5壓蓋機(jī)啟動(dòng)標(biāo)志on有效T37一個(gè)循環(huán)結(jié)束后等待的時(shí)間101sVW01#傳感器值存儲(chǔ)單元VW22#傳感器置存儲(chǔ)單元VW43#傳感器置存儲(chǔ)單元VW64#傳感器置存儲(chǔ)單元VW85#傳感器置存儲(chǔ)單元VW10抓取工件的標(biāo)志壓力值存儲(chǔ)單元VW20抓取蓋端的標(biāo)準(zhǔn)壓力值圖4-1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖由于機(jī)械手的控制過程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時(shí)候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示。圖4-3 多關(guān)節(jié)機(jī)械

41、手控制系統(tǒng)梯形圖如圖4-3所示的是控制系統(tǒng)的主程序，如圖4-3（a）所示中主要是對(duì)高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出進(jìn)行初始化。對(duì)于高速計(jì)數(shù)器，選用高速計(jì)數(shù)器HSC0，工作方式為模式0，輸入口為I0.0。設(shè)置HSC0的功能為：復(fù)位與啟動(dòng)輸入信號(hào)都是高電位有效、4倍計(jì)數(shù)頻率、計(jì)數(shù)方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù)、預(yù)設(shè)脈沖為10000個(gè)、允許更新雙子和執(zhí)行HSC指令。對(duì)于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為Q0.0。脈沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用3段輸出，寫控制字到特定存儲(chǔ)器中，完成設(shè)置的功能為：時(shí)間基準(zhǔn)為s級(jí)、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要簡(jiǎn)歷包絡(luò)表，對(duì)3段脈沖周期、數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，多關(guān)

42、節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖4-4所示。圖4-4 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出，對(duì)發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果相等，則定位準(zhǔn)確，如果兩者有偏差，則補(bǔ)發(fā)脈沖，最后達(dá)到設(shè)定的位置上。如圖4-4表示的是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出控制，本例采用3段脈沖輸出，由于步進(jìn)電機(jī)本身的特性，啟動(dòng)頻率不宜太高，所以在啟動(dòng)階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其輸出脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為50ms，在這個(gè)階段手臂的移動(dòng)是最快的，當(dāng)達(dá)到設(shè)定位置的時(shí)候，同樣不可以突然是頻

43、率降低到0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為200ms，電動(dòng)機(jī)逐步減速，達(dá)到設(shè)定位置后可能可靠停止。圖4-5 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值1處理子程序梯形圖圖4-6 多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值2處理子程序梯形圖 如圖4-5所示多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值1處理子程序梯形圖和4-6所示多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)傳感器值2處理子程序梯形圖，都是針對(duì)傳感器采集到的值傳到PLC處理的子程序，由于機(jī)械手爪在每次加工過程中，都需要移動(dòng)兩個(gè)工件，對(duì)于不同的工件，手爪的力度是不同的，為了防止抓緊力過大，對(duì)工件造成損壞，設(shè)置兩個(gè)不同的壓力對(duì)比值。在此小節(jié)中，完成了PLC軟件系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)，程序包括

44、：控制系統(tǒng)的主程序、對(duì)高速脈沖輸出和高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化設(shè)置的子程序和處理傳感器返回值的子程序。在主程序中，主要采用了順序控制指令。在多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作過程中，機(jī)械手爪是嚴(yán)格按照一定的順序運(yùn)行的，采用順序控制指令能夠非常方便地按照工藝的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)下一個(gè)動(dòng)作開始執(zhí)行時(shí)，前一個(gè)動(dòng)作中的所有元件全部復(fù)位到初始狀態(tài)，減少出現(xiàn)誤動(dòng)作的概率?？?結(jié)機(jī)械手的出現(xiàn)延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和PLC在工業(yè)生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手技術(shù)方面的研究不斷得到創(chuàng)新，促

45、使成果不斷涌現(xiàn)。本論文的設(shè)計(jì)主要取得了以下成果：1.對(duì)物料分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)等各組成部分進(jìn)行了較為全面的分析，最后得出其總體設(shè)計(jì)方案。2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是強(qiáng)的非線性系統(tǒng)，其根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在流量飽和效應(yīng)，非線性摩擦力等因素，實(shí)現(xiàn)氣缸的精度定位非常困難。因此在其應(yīng)用中，要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)定，以達(dá)到比較理想狀態(tài)。3.機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性、可靠性非常高的PLC進(jìn)行控制。這使得機(jī)械設(shè)備更加靈活，動(dòng)作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。本課題在完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)物料分揀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

46、進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于時(shí)間的限制以與機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有些問題需要進(jìn)一步的研究：1.對(duì)機(jī)械手各部分連接方式的改進(jìn)。本機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有模塊式的特點(diǎn)，但由于考慮節(jié)約成本等因素，采用標(biāo)準(zhǔn)的單活塞桿雙作用氣缸，加導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)。各部分不能實(shí)現(xiàn)任意方式拼裝，通過各種過渡連接件，使各個(gè)部分可以自由拼裝。2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)改進(jìn)在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面存在一個(gè)固有的弱點(diǎn)，僅采用古典的反饋控制很難得到高精度位置和力等的控制。所以，在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法上，廣泛地引入現(xiàn)制理論和智慧控制等方法是其特征之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一大規(guī)模并行分布處理非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，適用于強(qiáng)非線性的氣動(dòng)機(jī)械手的控制。雖然還有很多尚未解決的問題有待于繼續(xù)研究，但相信PLC控制的物料分揀機(jī)械手的研究是非常有新意、有意義的，有著廣泛的應(yīng)用前景。致 本文是在穎教授的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題、研究方案的實(shí)施到論文的撰寫和修改無不凝聚著導(dǎo)師大量的心血。穎教授淵博的理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)，創(chuàng)造性的思維方式與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的工作作風(fēng)給我?guī)砗芏嗟膯⒌虾徒陶d。在此，特向穎教授表示最衷誠(chéng)的感!大學(xué)的學(xué)習(xí)生涯即將結(jié)束，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也將給這四年的學(xué)習(xí)劃上一個(gè)圓滿的句號(hào)。在這段難忘的時(shí)光里，我不斷地汲取著知識(shí)的營(yíng)養(yǎng)，感受著校園濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，不