基于PLC機械手設(shè)計本科機械專業(yè)畢業(yè)論文

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

2、術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，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機械手簡介5 1.1 機械手的發(fā)展史5 1.2 機械手的分類5 1.3 功能與構(gòu)成6 1.3.1 執(zhí)行機構(gòu)7 1.3.2 驅(qū)動機構(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、 市場需求8 1.4.3 應(yīng)用領(lǐng)域9第二章 機械手整體設(shè)計方案92.1 機械手總體設(shè)計92.1.1機械手整體結(jié)構(gòu)的類型92.2 機械手工作過程10第三章 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計123.1 可編程序控制器簡介123.1.1 PLC的結(jié)構(gòu)123.1.2 PLC的特點133.1.3 PLC的主要功能143.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計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23前 言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要現(xiàn)自動抓取、搬運

9、或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為工業(yè)機械手。機械手是最早出現(xiàn)的HYPERLINK :/baike.baidu /view/71290.htm工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，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(yīng)用于HYPERLINK :/baike.baidu /subview/996492/5114454.htm機械制造、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,科技日新月益的進展之下,機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。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)的做同一動作在機械正常情況下永遠(yuǎn)也不會覺得累！機械手臂的應(yīng)用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(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)機械手是機器人的一個重要分支。 機械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人和機械手機器各

11、自的優(yōu)點。機械手涉與到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)1。 第一章 機械手簡介1.1 機械手的發(fā)展史它是在早期出現(xiàn)的HYPERLINK :/baike.baidu /view/263403.htm古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著HYPERLINK :/baike.baidu /view/3314.htm計算機和HYPERLINK :/baike.baidu /view/1604752.htm自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的

12、方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(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械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。 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HYPERLINK :/baike.baidu /view/81615.htm機械手，它的結(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量

13、,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機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，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國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)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：

14、故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KuKa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。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多2。 1.2 機械手的分類機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；

15、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HYPERLINK :/baike.baidu /view/9884.htm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。 1.3 功能與構(gòu)成機械手是用來抓持工件（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

16、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?？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。 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組：1.4.1 1.3.1 執(zhí)行機構(gòu)機械手的執(zhí)行

17、機構(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軸，可把運用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(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。可根據(jù)夾持對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，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的3個自由度都要精確地定位。手臂執(zhí)行如下的幾種功能：手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按

18、正確方向運動。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)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。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、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。1.3.2 驅(qū)動機構(gòu)機械手所用的驅(qū)動機構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。液壓驅(qū)動式 液壓驅(qū)動式機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達(dá)幾百千克以上），其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、

19、耐震動、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)動式其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。電氣驅(qū)動式 電氣驅(qū)動是機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅(qū)動方式。由于電機速度高，通常須采用減速機構(gòu)（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構(gòu)等）。有此機械手已

20、開始采用無減速機構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機進行直接驅(qū)動（DD）這既可使機構(gòu)簡化，又可提高控制精度。4、機械驅(qū)動式機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確實可靠，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，即液-氣或電-液混合驅(qū)動4。1.3.3 控制系統(tǒng)機械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種。 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信

21、息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，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度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換；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容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。對動作復(fù)雜的機械

22、手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(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，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(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，機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

23、1.4.2 市場需求機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(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。機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。我國塑料機械已成為機械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個大因素：一是對高技術(shù)含量裝備的需求所帶來的設(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，對塑料機械的需求旺盛5。 1.4.3 應(yīng)用領(lǐng)域1.工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機器人在機械制造業(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、電冰箱、洗衣機）的制造等?；さ刃袠I(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配與物流系統(tǒng)的搬運、包裝等工作，也有部分是由機器人完成的。 2.軍事領(lǐng)域：主要讓機器人執(zhí)行一些自動的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對較為危險的任務(wù)，比如，無人偵察機、拆除炸彈的機器人與掃雷機器人等。機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，去從事更加重

25、要的工作。3.娛樂領(lǐng)域：機器人在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機器人足球大賽、機器人彈鋼琴和機器人寵物等。4.醫(yī)療領(lǐng)域：機器人主要用來輔助護士進行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運送用藥品與自動監(jiān)測病房的空氣質(zhì)量，等等。宜用機器人還可以協(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。美國還發(fā)明了一種可以進入人體血管的微型機器人，幫助醫(yī)生在病人的血管滅殺病毒。第二章 機械手整體設(shè)計方案2.1 機械手總體設(shè)計2.1.1機械手整體結(jié)構(gòu)的類型1.直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)

26、機器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)與搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2.圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動與兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。3. 球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來

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

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

29、右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬運到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應(yīng)自動暫停等待。當(dāng)按下啟動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)共組，直到停止按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。 啟動控制有2種，1個由啟動開關(guān)安裝在現(xiàn)場，1個由通過組態(tài)王軟件控制。在控制面板上，安裝一個檔位開關(guān)，分手動和自動兩大檔位，手動擋包括調(diào)試和回原位兩檔，自動擋分單步、半自動和全自動三檔，要求自動擋的操作必須在回原位的基礎(chǔ)上才能進行。 原位 下降 夾緊 上升 右移 左移 上移 放松 下降 第三章 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器（Progra

30、mmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它不斷吸收微計算機技術(shù)使之功能不斷增強，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和一般的微型計算機基本一樣，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)、存儲器(EPROM，ROM)、輸入輸出(I/O)部件、電源部件、編程器、I/O擴展單元和其他外圍設(shè)備組成。各部分通過總線(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)控制需要而編寫的程序。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，他們是相輔相成，缺一不可的。3.1.2 PLC的特點可編程序控制器是一種以微機處理器為核心的工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。國外現(xiàn)有的機械手系統(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)機械手系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍8。其主要原因是因為PLC具有以下優(yōu)點：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、整個系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計好的電器控制圖，由人工布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上的稍許變化，需要改變電器控制系統(tǒng)的話，那么原先的整個電器控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，浪費了大量的人力、物力和時間。而可編程控制器是通過存儲在存儲器中的程序?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極少量的接線即可。而且，同一臺可編程控制器還可以用于不同的控制對象，只要改變軟件就可以實現(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、抗干擾能力強對于機械手系統(tǒng)來說，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)必須考慮的問題。現(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠性程度是使用機械觸點的繼電器所無法比擬的。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)計和制造過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、修改程序。對于使用者來說，幾乎不需要專門的計算機知識。工程師編好的程序十分清晰直觀，只要寫好操作說明書，操作人員經(jīng)短期的學(xué)

34、習(xí)就可以使用。4、功能強現(xiàn)代PLC不僅具有條件控制、計時、計數(shù)和步進等控制功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以與通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，它既可控制開關(guān)量，又可控制模擬量；既可控制一個機械手，又可控制一個機械手群；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)；既可現(xiàn)場控制，又可遠(yuǎn)程控制。5、體積小、重量輕和易于實現(xiàn)機電一體化由于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。且PLC是為工業(yè)控制設(shè)計的專用計算機，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用、體積小巧，并由于具備很強的可靠性和抗干擾能力，使之易于裝入機械設(shè)備部，因而成為實現(xiàn)機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，在性價比上要高于繼電器控制和單片機控制，其開發(fā)潛力要差于單片機，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)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(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；人機界面功能；編程、調(diào)試功能。PLC的重量、體積、功耗和硬件價格一直在降低，雖然軟件價格占的比重有所增加，但是各廠商為了競爭也相應(yīng)地降低了價格。另外，采用PLC還可以大大縮短設(shè)計、編程和

36、投產(chǎn)周期，使總價格進一步降低。PLC產(chǎn)品面臨現(xiàn)場總線的發(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3.2.1 PLC選型S7-200豐富的種類：CPU221：置10個數(shù)字量I/O點，不可擴充；CPU222：置14個數(shù)字量I/O點，可擴充到78路數(shù)字量I/O或10路模擬量I/O；CPU224：置24個數(shù)字量I/O點，可擴充到168路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O；CPU226：置40個數(shù)字量I/O點，可擴充到248路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O；選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比10?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼

37、顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當(dāng)點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能圍等選擇都有影響，在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。綜合考慮，現(xiàn)選擇主機為西門子S7-200中的CPU226，因為他能擴展七個模塊。模塊1-模塊4為EM232，它是模擬量輸出模塊，每個模塊有兩個輸出通道，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I0.0停止按鈕SB1I0.1啟動按鈕

38、SB2I0.2上限位開關(guān)SQ1I0.3下限位開關(guān)SQ2I0.4左限位開關(guān)SQ3I0.5右限位開關(guān)SQ4I0.6光電開關(guān)PS0I0.7夾緊限位開關(guān)SQ5I1.0松開限位開關(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Q0.0上升電磁閥YV1Q0.1下降電磁閥YV2Q0.2夾緊/松開電磁閥YV3Q0.3左移電磁閥YV4Q0.4右移電磁閥YV5Q0.5原點指示燈EL1硬件PLC連接圖 通過機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 機械手工作原理與過程：機械手的初始位置停在原點，按下啟動按鈕后，機械手將完成一系列動作：從原點開始，按下啟動按鈕SB1時，下降電

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

40、的限位開關(guān)來控制的，而夾緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是由時間來控制的。光電開關(guān)的作用是為了保證機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬運到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應(yīng)自動暫停等待。當(dāng)按下啟動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)共組，直到按下停止按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。根據(jù)機械手的工作過程現(xiàn)將機械手流程圖設(shè)計如下圖所示：通過機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)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用

41、不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運行。因此，討論PLC設(shè)計調(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30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當(dāng)長些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強。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較小、波形畸變較小的電源，這對提高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)備或強干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(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、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級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，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實