機械手-工業(yè)機械手模型-基于PLC的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

機械手-工業(yè)機械手模型-基于PLC的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計,機械手,工業(yè),模型,基于,plc,控制系統(tǒng),軟硬件,設(shè)計 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 工業(yè)機械手模型 基于 PLC 的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 學生姓名： 劉 洋 學生學號： 200310621044 院 （系）： 機電工程學院 年級專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： 袁曉東 副教授 助理指導教師: 二〇〇七年六月 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 II 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有 毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。工業(yè)機械手就 這樣誕生了,機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵 部件之一。電氣方面有電機、開關(guān)電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋 了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器 之一。本文介紹的機械手是由 PLC 輸出四路來分別驅(qū)動橫軸、豎軸、底盤轉(zhuǎn)動、 手轉(zhuǎn)動電機，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給 PLC 主機；電機拖動手爪和底盤旋轉(zhuǎn)；電磁閥控制氣閥的開關(guān)來控制機械手手爪的張 合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的工業(yè)機械手模型可在空間 抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根 據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。 關(guān)鍵字：可編程控制器 PLC,機械手,電機,任意位置 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） ABSTRACT Ⅱ II ABSTRACT In industrial production and other domains, because works need, the people frequently receive factor the and so on high temperature,corrosion and virulent gas harm, increased worker's labor intensity,even endangers life. The industry manipulator like this was born, the manipulator is in theindustry robot assembly system the traditional duty implementingagency, is one of robot key components. The electrical aspect has theelectrical machinery, the switching power supply, the solenoid valve,and so on the electronic device composition. This equipment has covered the programmable control technology, theposition control technology, the air operated technology and so on, isthe integration of machinery model represents one of instruments. Thisarticle introduced the manipulator is outputs four groups by PLCseparately to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassisrotation, hand turns an electric motor, controls the manipulatorabscissa axis and the z-axis pintpointing, the microswitch bequeathsthe position signal the PLC main engine; The electrical machinerydrives the hand fingernail and the chassis revolves; The solenoidvalve controls the air valve the switch to control the manipulatorhand fingernail to gather, thus realizes the manipulator proper motionfunction. This topic plans the industry manipulator model which develops to bepossible in the space to grasp puts the object nimbly, the movement isdiverse, may replace artificially carries on the work in hightemperature and the dangerous operation area, and may changes therelated parameter as necessary according to the work piece change and the movement flow request. Key words: Programmable controller PLC, manipulator,electrical machinery, freeposition. 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 目 錄 1 目錄 摘 要 .........................................................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................................................II 1 緒論 ..........................................................................................................................................1 1.1 課題背景 ............................................................................................................................1 1.1.1 設(shè)計的目的和意義 .....................................................................................................2 1.2 設(shè)計要求 .............................................................................................................................3 1.2.1 控制要求 .....................................................................................................................3 1.3 PLC 的發(fā)展概況 ................................................................................................................4 1.3.1 可編程控制器的產(chǎn)生 .................................................................................................4 1.3.2 PLC 的定義 .................................................................................................................4 1.3.3 PLC 的特點 .................................................................................................................5 2 機械手概述 ...........................................................................................................................6 2.1 機械手的定義與分類 ........................................................................................................6 2.2 機械手發(fā)展情況 ................................................................................................................7 2.3 機械手的發(fā)展趨勢 .............................................................................................................8 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 .............................................................................................................9 3.1 PLC 的選型 ........................................................................................................................9 3.1.1 常用 PLC 介紹 ...........................................................................................................9 3.1.2 確定型號 FX1N－60MR .........................................................................................13 3.1.3 FX1N 所具有優(yōu)越性能 ............................................................................................13 3.1.4 FX 系列 PLC 型號的說明 ........................................................................................16 3.2 三菱 FX 系列的結(jié)構(gòu)功能 ...............................................................................................16 3.2.1 PLC 內(nèi)部功能 ...........................................................................................................17 3.2.2 PLC 輸入輸出接口的安全保護 ...............................................................................18 3.3 手持編程器 FX－20P－E 的使用 ..................................................................................18 3.3.1 HPP 的組成與操作面板 ...........................................................................................19 3.3.2 HPP 的操作過程 .......................................................................................................21 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 目 錄 2 4 各功能實現(xiàn)形式與控制方式 ..........................................................................................25 4.1 本機械手模型的機能和特性 ..........................................................................................25 4.2 夾緊機構(gòu) ..........................................................................................................................25 4.3 軀干 ...................................................................................................................................25 4.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤 .......................................................................................................................26 5 軟件設(shè)計 ..............................................................................................................................27 5.1 編程軟件的使用 ..............................................................................................................27 5.2 FX1N PLC 梯形圖中的編程元件 ...................................................................................28 5.3 程序的總體結(jié)構(gòu) ..............................................................................................................29 5.3.1 各部分程序如下 ......................................................................................................30 5.4 PLC 程序的上載和下載 ..................................................................................................40 5.4.1 PLC 程序的上載 .......................................................................................................40 5.4.2 PLC 程序的下載 .......................................................................................................40 設(shè)計小結(jié) ..................................................................................................................................41 參 考 文 獻 ...........................................................................................................................42 附錄 ...........................................................................................................................................43 附錄 A:PLC 接線圖 ..............................................................................................................43 附錄 B:指令表 ........................................................................................................................44 致 謝 .........................................................................................................................................46 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 緒論 1 1 緒論 1.1 課題背景 隨著我國社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，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。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨 緊張的供求關(guān)系,我們研究就得開發(fā)多工步搬運機械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了舉世矚目的 偉大成就。同時，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。 全面建設(shè)小康社會，既面臨難得的歷史機遇，又面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟增長 過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴重；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù) 產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強，經(jīng)濟效益 有待提高。在擴大勞動就業(yè)、理順分配關(guān)系、提供健康保障和確保國家安全等方面， 有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達國家在經(jīng)濟、科 技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進行多方面的 努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強社會管理等。與此 同時，我們比以往任何時候都更加需要緊緊依靠科技進步和創(chuàng)新，帶動生產(chǎn)力質(zhì)的 飛躍，推動經(jīng)濟社會的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。 進入 21 世紀，我國作為一個發(fā)展中大國，加快科學技術(shù)發(fā)展、縮小與發(fā)達國 家的差距，還需要較長時期的艱苦努力，同時也有著諸多有利條件。中華民族擁有 5000 年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨特的創(chuàng)新文化。 只要我們增強民族自信心，貫徹落實科學發(fā)展觀，深入實施科教興國戰(zhàn)略和人才強 國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過 15 年乃至更長時間堅韌不拔的艱苦奮斗，就 一定能夠創(chuàng)造出無愧于時代的輝煌科技成就。 科技工作的指導方針是：自主創(chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng) 新，就是從增強國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng) 新。重點跨越，就是堅持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢、關(guān)系國計 民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點突破，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟社會的持續(xù) 協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就是著眼長遠，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市 場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來經(jīng)濟社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀科 技發(fā)展實踐經(jīng)驗的概括總結(jié)，是面向未來、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 緒論 2 社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，必須認真學習和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進了大量技術(shù)和裝備，對提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、促進經(jīng)濟發(fā)展起到 了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進而不注重技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新， 勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進水平的差距?？傊?，必須把提高自 主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設(shè)的各個方面，貫徹到各個產(chǎn)業(yè)、行業(yè) 和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。 我國科學技術(shù)發(fā)展的總體目標是：自主創(chuàng)新能力顯著增強，科技促進經(jīng)濟社會 發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強，為全面建設(shè)小康社會提供強有力的支撐；基 礎(chǔ)科學和前沿技術(shù)研究綜合實力顯著增強，取得一批在世界具有重大影響的科學技 術(shù)成果，進入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀中葉成為世界科技強國奠定基礎(chǔ)，形成 比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。 1.1.1 設(shè)計的目的和意義 科學技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短， 更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設(shè)計手段，則顯得 力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。目前，計算機輔助產(chǎn)品的設(shè)計繪圖、設(shè)計計算、 加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初 期方案的計算機輔助設(shè)計卻遠遠不能滿足設(shè)計的需要。為此，作者在閱讀了大量文 獻的基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計學者進行方案設(shè)計時采用的方法，并討論了各 種方法之間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的 發(fā)展趨勢。 自主創(chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng)新，就是從增強國家創(chuàng)新 能力出發(fā)，加強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新。重點跨越，就是堅持 有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢、關(guān)系國計民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng) 域，集中力量、重點突破，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展，就是從現(xiàn)實的緊迫需求出 發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就 是著眼長遠，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)， 引領(lǐng)未來經(jīng)濟社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀科技發(fā)展實踐經(jīng)驗的概括總 結(jié)，是面向未來、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。 科技人才是提高自主創(chuàng)新能力的關(guān)鍵所在。要把創(chuàng)造良好環(huán)境和條件，培養(yǎng)和 凝聚各類科技人才特別是優(yōu)秀拔尖人才，充分調(diào)動廣大科技人員的積極性和創(chuàng)造性， 作為科技工作的首要任務(wù)，努力開創(chuàng)人才輩出、人盡其才、才盡其用的良好局面， 努力建設(shè)一支與經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)相適應(yīng)的規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)科 技人才隊伍，為我國科學技術(shù)發(fā)展提供充分的人才支撐和智力保證。 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 緒論 3 1.2 設(shè)計要求 采用 PLC 構(gòu)成機械手的自動控制系統(tǒng)，可通過修改 PLC 控制程序，改變對機 械手模型的控制要求。機械手橫軸水平面內(nèi)作前后方向運動，豎軸能在垂直面內(nèi)作 上下兩方向運動，底座能作正反兩方向旋轉(zhuǎn)，手能正反兩方向旋轉(zhuǎn)，并且底座能在 任意位置停止的功能。機械手抓?。鹤疃?1.5kg 的重物；機械手前后最大行程 500mm；上下最大行程 800mm。模型如圖 1.1； 圖 1.1 模型圖 1.2.1 控制要求 1、接通電源后，機械機構(gòu)自動復(fù)位； 2、橫軸前伸； 3、機械手旋轉(zhuǎn)到位； 4、電磁閥動作，機械手張開； 5、豎軸下降； 6、電磁閥復(fù)位，機械手夾緊重物； 7、豎軸上升； 8、橫軸縮回； 9、底盤旋轉(zhuǎn)到位； 10、橫軸前伸； 11、機械手旋轉(zhuǎn)； 12、豎軸下降； 13、電磁閥動作，機械手張開，放下貨物； 14、豎軸上升復(fù)位。 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 緒論 4 1.3 PLC 的發(fā)展概況 可編程控制器是在計算機技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā) 起來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫的程 序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出 來控制機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。 1.3.1 可編程控制器的產(chǎn)生 PLC 是在激烈的市場競爭中產(chǎn)生的，20 世紀 60 年代末，美國汽車制造業(yè)競爭 激烈。為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，美國通用汽車公司（GM）對控制系統(tǒng)提出 要求為：（1）能替代各種繼電器、定時器、接觸器及其主令電器等按一定的邏輯 關(guān)系用導線連接起來的控制系統(tǒng)，既傳統(tǒng)的繼電－接觸器控制，它簡單易懂，價格 低廉，能夠滿足生產(chǎn)工藝改動頻繁的需要；（2）編程簡單；（3）模塊式結(jié)構(gòu)；輸 入、輸出電壓是交流 115V（美國標準） ，輸出能直接驅(qū)動繼電器和電磁閥；（5）抗 電磁干擾強；（6）具有數(shù)據(jù)通信功能。就是把繼電－接觸器控制的優(yōu)點與計算機 的功能齊全、靈活性、通用性強的特點結(jié)合起來，用計算機的編程軟件邏輯易于修 改來代替繼電－接觸器控制的硬接線邏輯不易修改。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）在 1969 年根據(jù)上述要求，研制出世界上首臺可編程控制器，并在美國通用汽車公司的 汽車裝配線上應(yīng)用成功，實現(xiàn)裝配線的自動控制。 1.3.2 PLC 的定義 PLC 問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標準化，美 國電氣制造商協(xié)會 NEMA（National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過 四年的調(diào)查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（Programmable Controller） ， 并給 PC 作了如下定義： “PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí) 行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模 塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行 PC 之功能著， 亦被視為 PC，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器。 ” 以后國際電工委員會(IEC)又先后頒布了 PLC 標準的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義： “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計 的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制， 定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各 種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 1 緒論 5 系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 ” 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算 機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn) 品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配 置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 1.3.3 PLC 的特點 ① 高可靠性 【4】 1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電 路之間電氣上隔離。 2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10～20ms。 3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 5）對采用的器件進行嚴格的篩選。 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障擴大。 7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使 可靠性更進一步提高。 ② 豐富的 I/O 接口模塊 【4】 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電 流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備， 如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 ③ 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采 用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機 架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 ④ 編程簡單易學 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不 需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 ⑤ 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場 的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故 障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 2 機械手概述 6 2 機械手概述 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。 機械手技術(shù)涉及到力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù) 和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。 2.1 機械手的定義與分類 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多 個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn) 系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分 代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時間和位置來完 成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此，它能大 大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自 動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財力加以 研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用 得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè) 部門的重視。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立 的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工 作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元 機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通 過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、 火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上 下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand” ，它是為主機服務(wù)的， 由主機驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本項目要求設(shè)計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè) 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 2 機械手概述 7 中，自動化程度較高，大量應(yīng)用機械手。通過本次設(shè)計，可以增強對工業(yè)機械手的 認識，同時并熟悉掌握 PLC 技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)等工業(yè)控制常用的技術(shù)。 2.2 機械手發(fā)展情況 目前工業(yè)機械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄造、熱處理 等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應(yīng)用范圍，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，用條件還要研制 示教機械手、組合機械手等。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)，以及用于 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，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機械手，即便于設(shè)計 制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定 位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。 在機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模 鍛壓力機的上下料以及焊、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定 的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機械手發(fā)生某些偏 離時，會引起零部件甚至機械本身的損壞，但若有了傳感反饋自動，機械手就可以 根據(jù)反饋自行調(diào)整。 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動、開閉手指。 機械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)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)三種。手 指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對象 的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)計采用二指的 構(gòu)造。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使 機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。總之，機械手的運 動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液 壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電 動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的機架。 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以電 氣、氣動用得最多，占 90％以上，液壓、機械驅(qū)動用得較少。 液壓驅(qū)動主要是通過液壓缸、閥、油箱等實現(xiàn)傳動。它利用液壓缸、液壓馬達 加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動液壓馬達、液壓缸與齒條、齒輪與鏈條、鏈 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 2 機械手概述 8 輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無 級變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用 4～6 個大氣壓， 個別達到 8～10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護方便，成本低。缺點是出力 小，體積大，由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置停止，只能用于點位控制， 而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計的手爪部分采用氣壓驅(qū)動。 電氣驅(qū)動時，直線運動可以采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)。通用機械手則考 慮采用步進電動機、直流或交流的伺服電動機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力 源簡單，維護、使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動力，出力比 較大。本設(shè)計采用步進電動機驅(qū)動手臂運動，直流電動機驅(qū)動手爪和機械手的底盤 旋轉(zhuǎn)運動。 機械驅(qū)動只適用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它 的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度 等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占 90％以上。 控制系統(tǒng)可以根據(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 以儲存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手工作。對動作復(fù)雜的機械手則采用數(shù) 字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可 靠性高等。 2.3 機械手的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi) 容也要求理想化簡單化，對于一些往復(fù)的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非 常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī) 藥、航空航天等。代表當今最先進的技術(shù)在日本，他的自動化，人性化令人嘆為觀 止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機器。 我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對于自動控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但 我國的自動化水平有待提高。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機械手技術(shù)也隨之提高，發(fā) 展的趨勢是工作強度高，靈活性強，準確可靠，可以自動檢測并下達動作命令，融 入先進的人工智能，使人只作平時的簡單的維護，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢。 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 2 機械手概述 9 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手， 并考慮與計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、PLC 控制等。但由于此明確指定采用 PLC 可編程控制器控制實現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ?慮控制硬件方案，只是要對 PLC 進行比較選擇。 3.1 PLC 的選型 對于 PLC 的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)； 掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工 作環(huán)境對其的影響。 3.1.1 常用 PLC 介紹 PLC 發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定 區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，考慮如何選擇。 ① 西門子 S7-200 系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7-200 系列 PLC 是德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能 價格比的微型可編程控制器。西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子 的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控 制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ) 設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 S7-200 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員， 以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行 各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運行速度快，價格低廉及多功能多用途等特點，因此 在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 它適用于各行各業(yè)，各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。強大功能使其無 論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。在以下幾方面均有出色的 表現(xiàn)：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成 功能；實時特性；強勁的通訊能力；豐富的擴展模塊。應(yīng)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(shè) 施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等 S7-200 系列 PLC 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 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 10 從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。S7-200 產(chǎn)品憑借其先進性、成熟 性和廣泛的適用性在自動化產(chǎn)品中受到廣泛的重視，相信此次發(fā)布的新產(chǎn)品一定能 夠滿足部分用戶的需求，同時在自動化領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用。 突出的特點： ·可靠性高、操作簡便； ·豐富的內(nèi)置集成功能； ·強勁通訊能力； ·豐富的擴展模塊； ·簡單、易用的 Micro/WIN 編程軟件。 S7-200 豐富的種類 【4】 ： ·CPU221：內(nèi)置 10 個數(shù)字量 I/O 點，不可擴充； ·CPU222：內(nèi)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：內(nèi)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：內(nèi)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； ·16 種擴展模塊：數(shù)字量擴展模塊，模擬量擴展模塊、PROFIBUS-DP 擴展模塊、 AS-I 接口模塊。 強大的通訊能力： ·點到點通訊方式（PPI） ； ·多點接口通訊方式（MPI） ； ·自由通訊口方式（Freeport） ； ·PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊方式。 ② OMRON C200H 可編程控制器介紹： 圖 3.1 歐姆龍 PLC 歐姆龍株式會社是全球知名的自動化控制及電子設(shè)備制造廠商，掌握著世界領(lǐng) 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 先的傳感與控制核心技術(shù)。自 1933 年創(chuàng)業(yè)至今的七十余年中，通過不斷創(chuàng)造新的 社會需求，公司全球業(yè)務(wù)遍及 35 個國家和地區(qū)，擁有超過 27，000 名員工；產(chǎn)品 品種達幾十萬種，涉及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、電子元器件、社會公共系統(tǒng)以及健康 醫(yī)療設(shè)備等廣泛領(lǐng)域，在業(yè)內(nèi)建立了響亮的品牌，占據(jù)著不可替代的地位。 歐姆龍與中國的淵源可以追溯到 30 年前。公司創(chuàng)始人立石一真先生曾擔任國 貿(mào)促京都總局副會長，七十年代初作為經(jīng)濟界代表開始了與中國各界的交流與合作。 公司從 1980 年繼電器的委托加工貿(mào)易開始不斷發(fā)展，1991 年在大連設(shè)立了第一家 生產(chǎn)健康醫(yī)療設(shè)備的工廠——歐姆龍（大連）有限公司；1994 年，作為第一家日本 電子制造企業(yè)，被國家有關(guān)部門批準成立投資性公司——歐姆龍（中國）有限公司； 經(jīng)過 30 年的不懈努力，歐姆龍以高質(zhì)量的產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，贏得了中國用 戶的信賴與好評。 先進的、小型化的可編程序控制器.OMRON 的可編程序控制器更加小型化。 SYSMAC CPM1A 的大小僅相當于一個 PC 卡(對于 10 點的機型來說)，從而使安裝體積 大幅度減小，同時也進一步節(jié)省了控制柜的空間。它不僅具備了以往小型 PLC 所具 備的功能，而且還可連接可編程序終端，為生產(chǎn)現(xiàn)場創(chuàng)造了新的環(huán)境。 可連接可編程終端，選用通訊適配器以相應(yīng)的上位 Link 或高速 NT Link 與 PT 之間進行高速通訊。 有 10 點至 40 點多種 CPU 單元。CPU 單元與擴展 I/O 并用，可完成 10 點到 100 點的輸入輸出要求。并有 AC 和 DC 兩種電源型號可選擇。 匯集了各種先進的功能，如高速響應(yīng)功能、高速計數(shù)功能、中斷功能，還備有 2 個模擬量設(shè)定。 充足的程序容量，具有 2048 字的用戶程序存儲器和 1024 字的數(shù)據(jù)存儲器。 編程環(huán)境與 CQM1 及 SYSMAC A 等機種相同。由于原有 SYSMAC 支持軟件及編程 器都可繼續(xù)使用，故而系統(tǒng)的擴展及維護都可簡單進行。 ③ 松下可編程控制器介紹 【9】 ： 包括 FPO，F(xiàn)P1，F(xiàn)P2，F(xiàn)P3，F(xiàn)Pe，F(xiàn)P-X 等系列 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 12 圖 3.2 松下 PLC FP-X 特點：超高速處理，浮點數(shù) PID 運算只有 32μs，基本指令只需 0.32μs， 可快速掃描充裕的程序容量達到 32K 步，注釋區(qū)域也可以保證；I/O 最多 300 點； 通過 8 位密碼和禁止上傳功能，有效保護程序：配備 USB 端口，可與計算機實現(xiàn)簡 單連接。 FPe（晶體管輸出，繼電器輸出）特點：面板式安裝型控制器，電源電壓 24VDC， 程序容量 2.7K 步，運算速度 0.9μs。 FP2、FP3、FP10sh 系列（輸出類型同上）：最多可控制 2048 點（使用遠程 I/O） ，程序容量大 16K，30K 步，可擴展到 120K 步，CUP 運行世界最快（1ms/20 步， 快速起運 0.1ms 以下） 。 FPO 系列（輸出同上）：世界產(chǎn)品體積最小，掃描周期 1ms，選擇點從 10 到 128 點。 ④ 三菱 FX 系列可編程控制器介紹 【10】 ： FX 系列可編程控制器是當今國內(nèi)外最新，最具特色、最具代表性的微型 PLC。日本三菱電機公司研發(fā)的。在 FX 中，除基本的指令表編程方式外，還可以采 用梯形土編程及對應(yīng)機械動作流程進行順序設(shè)計的 SFC 順序功能圖編程，而且這些 程序可互相轉(zhuǎn)換。在 FX 系列 PLC 中設(shè)置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器 的高頻脈沖進行中斷處理，擴大了 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域。其 FX2N PLC 還可以采用作為 擴展設(shè)備的硬件計數(shù)器，可獲取最高 50kHz 的高速脈沖。 攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計(論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 FX 系列 PLC 基于“基本功能、高速處理、便于使用”的研發(fā)理念，使其具有數(shù) 據(jù)傳送與比較，四則運算與邏輯運算、數(shù)據(jù)循環(huán)與移動等應(yīng)用指令系統(tǒng)。除此之外， 還具有輸入輸出刷新、中斷、高速計數(shù)器比較指令、高速脈沖輸出等告訴處理指令， 以及在 SFS 控制方面，將機械控制的標準動作封裝化的狀態(tài)初始化指令等，使功能 大大增加。 FX 系列 PLC 在特殊控制方面不但具備模擬量輸入輸出控制，而且具有定位控制 幾 PID 系統(tǒng)控制。在通信方面，能夠方便地與 PC 計算機鏈接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與管理。 3.1.2 確定型號 FX1N－60MR 綜上，對于被控對象，采用 PLC 系統(tǒng)與采用其它形式的控制系統(tǒng)相比較，力 求具有較好的性價比，使用和維修方便；選用的 PLC 主機和配置、控制功能等必須 能滿足被控對象的各種控制要求；選用的 PLC 主機及配置必須是功能較強的新一代 PLC 機型，一般最好不要選用舊機型（若采用三菱公司的 PLC，則選 FX 系列，不 選 F1 系列） 。同時還應(yīng)當考慮將來工藝的變化和擴展，在滿足確定的要求外，留有 一定的余量；確保整個控制系統(tǒng)可靠。還要考慮大家對產(chǎn)品的熟悉程度，以及編程 指令的易懂性。在此，我選用三菱 FX1N 來做控制核心。FX 系列 PLC