畢業(yè)論文-工業(yè)機(jī)器手控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　工業(yè)機(jī)器手控制系統(tǒng)</b></p><p>　　[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，甚至于危及生命。工業(yè)機(jī)械手就這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。其電氣方面有步進(jìn)電機(jī)、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(dòng)技術(shù)等，是機(jī)電一體

2、化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)械手是由PLC輸出五路來分別驅(qū)動(dòng)手臂上下直線運(yùn)動(dòng)，手臂左右直線運(yùn)動(dòng)，手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手爪夾緊動(dòng)作的精確定位，微動(dòng)開關(guān)將位置信號(hào)傳給PLC主機(jī)；電機(jī)拖動(dòng)手爪和底盤旋轉(zhuǎn)；電磁閥控制氣閥的開關(guān)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動(dòng)的功能。本課題擬開發(fā)的工業(yè)機(jī)械手模型可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參

3、數(shù)。</p><p>　　[關(guān)鍵字] 機(jī)械手 可編程控制器PLC 位置控制 步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　Industrial Robot Arms Control System</p><p>　　[Abstract] In terms of industrial production and other fields, as a result of th

4、e working need，people often accept the factor damage such as the high temperature , corrosion and toxic gas, even life-threatening. The industry manipulator like this was born; the manipulator which is one of robot key c

5、omponents is in the industry robot assembly system the duty implementing agency. There are electrical machinery, switching power supply, electromagnetic valve, electronic device composition and so on.</p><p>

6、;　　[Keyword]   manipulator  Programmable controller PLC (position logic control)  step-electric motor.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b>

7、</p><p><b>　　第1章 概述2</b></p><p><b>　　1.1選題背景2</b></p><p>　　1.1.1機(jī)械手的應(yīng)用意義2</p><p>　　1.1.2機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1.2控制系統(tǒng)的選擇4</p&g

8、t;<p>　　1.2.2 豐富的I/O接口模塊5</p><p>　　1.2.3 采用模塊化結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.2.4 編程簡(jiǎn)單易學(xué)6</p><p>　　1.2.5 PLC的簡(jiǎn)單介紹6</p><p>　　1.3可編程控制器(PLC)的歷史與發(fā)展趨勢(shì)7</p><p>　　1.

9、3.1可編程控制器(PLC)的歷史7</p><p>　　1.3.2可編程控制器的發(fā)展與趨勢(shì)8</p><p>　　1.4可編程控制器的基本功能和特點(diǎn)9</p><p>　　1.4.1 PLC基本功能9</p><p>　　1.4.2 PLC的特點(diǎn)10</p><p>　　1.4.3 PLC的分類10<

10、;/p><p>　　1.5可編程控制器的組成和工作原理11</p><p>　　1.5.1可編程控制的硬件組成11</p><p>　　1.5.2 可編程控制的軟件系統(tǒng)和程序13</p><p>　　1.5.3 可編程控制器的工作原理14</p><p>　　1.6 解決的主要問題14</p>

11、<p>　　第2章 設(shè)計(jì)原理16</p><p>　　2.1 操作原理簡(jiǎn)要說明16</p><p>　　2.2 機(jī)械手的構(gòu)成16</p><p>　　2.3 各電氣設(shè)備的控制方式及控制要求18</p><p>　　2.3.1機(jī)械手的機(jī)能和特性18</p><p>　　2.3.2軀干和傳動(dòng)系統(tǒng)

12、18</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)33</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)33</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.2.1 PLC梯形圖中的編程元件35</p><p>　　3.2.2 I/O地址分配35</p><p>　　3

13、.2.3 控制程序梯形圖36</p><p>　　第4章 設(shè)計(jì)小結(jié)40</p><p><b>　　致謝41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p>　　前 言　　機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)裝置。它特別是

14、在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)裝置三大部分組成，智能機(jī)械手還具有感覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。本篇介紹的是用于物件裝卸的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，屬圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。本篇根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)械手的一般程序，分八步詳細(xì)地介了用于物件裝卸的機(jī)械手的設(shè)計(jì)的過程。</p><p>　　機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)

15、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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(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

16、結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。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；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；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

17、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。</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p><b>　　1.1選題背景 </b></p><p>　　機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的

18、作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器的優(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，在全國(guó)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，但是數(shù)控加工中心加工中常見的上下料工序，通常乃采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動(dòng)化裝置。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效力低；后者因設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要較多繼電器，接線復(fù)雜。容易車體震動(dòng)干擾，而存在可靠性差，故障

19、多，維修困難等問題?？删幊炭刂破鱌LC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)便，線路設(shè)計(jì)合理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了維修率。提高了工作效率。</p><p>　　機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)，機(jī)械學(xué)，電氣液壓技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，傳感器技術(shù)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)。</p><p>　　機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他又多個(gè)自

20、由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。</p><p>　　在工資水平較低的中國(guó)，分揀行業(yè)盡管仍屬于勞動(dòng)密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及，那些電子和汽車業(yè)的奧美跨國(guó)公司很早就在它們?cè)O(shè)在中國(guó)的工廠中引進(jìn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化時(shí)那些分布在工業(yè)密集的華南，華東沿海地區(qū)也開始對(duì)機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸?duì)工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。隨我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工

21、件的裝卸，轉(zhuǎn)向，輸送或分揀流程越來越節(jié)約勞動(dòng)力，可見機(jī)械手的大力發(fā)展有著很重要的意義。</p><p>　　1.1.1機(jī)械手的應(yīng)用意義</p><p>　　在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下：</p><p>　　( 1 ) 可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及

22、機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。</p><p>　　( 2 ) 可以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)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(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)

23、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。</p><p>　　( 3 ) 可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)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)。&

24、lt;/p><p>　　綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。</p><p>　　1.1.2機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)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。</p><p>　　因此，國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，

25、以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。</p><p>　　將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)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(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_

26、擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。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(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。</p><p>　　在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)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(shí)，

27、就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)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(shí)，即能更正，并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。</p><p>　　視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小

28、、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。</p><p>　　觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)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。</p><p>　　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(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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

29、50%的汽車由機(jī)械手裝配。</p><p>　　現(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。</p><p>　　1.2控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　從滿足機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、擴(kuò)展性、可靠性和穩(wěn)定性方面考慮，目前常見的機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要有單片機(jī)控制、PLC控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集

30、中控制以及繼電器控制等類型。</p><p>　　隨著集成芯片技術(shù)的不斷提高，特別是高檔8位、16位單片機(jī)軋管系統(tǒng)由單片計(jì)算機(jī)及其外圍芯片構(gòu)成機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是單片機(jī)本身小巧、功耗低，實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)，但是其軟、硬件的開發(fā)必須借助于開發(fā)工具，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，不具有自開發(fā)能力。</p><p>　　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)機(jī)械手分揀系統(tǒng)有較強(qiáng)的軟、硬件支持。利用通用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源來支持

31、機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行工作，具有自開發(fā)能力，有較強(qiáng)的可視能力和數(shù)據(jù)處理能力，更適合于計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用。</p><p>　　繼電器控制裝置是采用硬邏輯的方式，一個(gè)繼電器線圈的通斷將會(huì)同時(shí)影響該繼電器的所有常開常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，同觸點(diǎn)在控制線路的位置無關(guān)。雖然繼電器控制不需要很強(qiáng)的軟、硬件支持。價(jià)格相對(duì)便宜，但是性能不穩(wěn)定精度不高，不具備自動(dòng)控制功能。</p><p>　　1.2.1

32、 高可靠性</p><p>　　所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣是那個(gè)隔離，防止外部高壓的竄入。</p><p>　　各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms，有效的抑制了高頻抗干擾信號(hào)。</p><p>　　在PLC電路中設(shè)置了“看門狗”電路，能把因干擾而飛走的程序拉回來。</p>

33、<p>　　采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。</p><p>　　對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。</p><p>　　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(kuò)大。</p><p>　　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)，使可靠性能更進(jìn)一步提高。</p><p>

34、　　1.2.2 豐富的I/O接口模塊</p><p>　　PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：</p><p><b>　　1. 交流或直流；</b></p><p>　　2. 開關(guān)量或模擬量；</p><p><b>　　3. 電壓或電流；</b></p><p><

35、b>　　4. 脈沖火電位；</b></p><p>　　5. 強(qiáng)電或弱電等。</p><p>　　有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：</p><p><b>　　1. 按鈕</b></p><p><b>　　2. 行程開關(guān)</b></p><p&g

36、t;<b>　　3. 接近開關(guān)</b></p><p>　　4. 傳感器及變送器</p><p><b>　　5. 電磁線圈</b></p><p><b>　　6. 控制閥</b></p><p>　　直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊;為了組成工

37、業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。</p><p>　　1.2.3 采用模塊化結(jié)構(gòu)</p><p>　　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(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)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。</p><p>　　1.2.

38、4 編程簡(jiǎn)單易學(xué)</p><p>　　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(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。</p><p>　　1.2.5 PLC的簡(jiǎn)單介紹</p><p>　　PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)

39、行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。</p><p>　　由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。</p><p>　　使用方便。PLC的結(jié)構(gòu)不僅具有先進(jìn)的通訊和輸入輸出能力，而且其模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、靈活的配置能力，使用戶可以靈活組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。</p><p>

40、　　設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短。用PLC完成一項(xiàng)控制工程時(shí)，由于其硬、軟件齊全，設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行，縮短了周期。</p><p><b>　　PLC的功能有：</b></p><p><b>　　邏輯控制</b></p><p><b>　　定時(shí)控制</b></p><p>&l

41、t;b>　　計(jì)數(shù)控制</b></p><p><b>　　PID控制</b></p><p>　　數(shù)據(jù)控制PLC具有數(shù)據(jù)處理能力</p><p><b>　　通信和聯(lián)網(wǎng)</b></p><p><b>　　其它</b></p><p>

42、　　PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗振防潮和耐熱能力強(qiáng)，使之易于安裝在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部，制造出機(jī)電一體化產(chǎn)品。鑒于PLC的諸多優(yōu)勢(shì)，結(jié)合機(jī)械于自動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，選擇日本三菱公司的S7-200系列可編程序控制器。SIMATIC S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的具有高性能價(jià)格比的小型可編程控制器，由于它具有控制能力強(qiáng)

43、、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.3可編程控制器(PLC)的歷史與發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.3.1可編程控制器(PLC)的歷史</p><p>　　可編程控制器（Progremmable Controller ,PC）是近幾年迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。早年的可編程控制器在功能上只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，因

44、此被稱為可編程順序邏輯控制器（Progremmable Logy Controller）,這時(shí)的PLC基本上是（硬）繼電器控制裝置的替代物，主要用于實(shí)現(xiàn)原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。</p><p>　　國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）與1987年2月在頒布的可百鳥朝控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中將其一步定義為：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)

45、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　20世紀(jì)70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨變。美國(guó)、日本、德國(guó)等一些廠商先后開采用微處理器作為PLC的CPU，這樣使PLC的功能大大的增強(qiáng)。</p><p>　　20世紀(jì)80年代，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展微處理器價(jià)格大幅下跌，使得各種類型的PL

46、C所采用的CPU的檔次普遍提高，一般采用16位和32位的CPU。</p><p>　　目前，世界上約有200家PLC生產(chǎn)廠家。其中，美國(guó)的（Rockwell）、(GE)，德國(guó)的西門子（Siemems），法國(guó)的施耐德（Schmeider），日本的三菱，歐姆龍(Omron)還有我國(guó)的江蘇嘉華，他們從只有幾十個(gè)點(diǎn)（I/O總點(diǎn)數(shù)）的微型PLC到上萬個(gè)點(diǎn)的巨型PLC?？梢灶A(yù)見PLC將會(huì)是電氣控制裝置的主要控制元件。<

47、/p><p>　　1.3.2可編程控制器的發(fā)展與趨勢(shì)</p><p>　　由于工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的多樣性，今后幾年的PLC技術(shù)將圍繞如下幾個(gè)方面發(fā)展。</p><p>　　進(jìn)一步加快CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型體系結(jié)構(gòu)，工作方式使掃描和中斷并存；各種模塊自能化，部分系統(tǒng)程序用門陣烈電路固化，這樣可以使速度達(dá)到ns級(jí)。</p>

48、<p>　　變革操作控制方式。大量使用中斷驅(qū)動(dòng)方式，以增加對(duì)輸入/輸出（I/O）的快速反應(yīng)能力。</p><p>　　發(fā)展自能化模塊。自能化模塊主要有：通信模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換模塊、PID控制模塊及一些自能化I/O模塊。</p><p>　　進(jìn)一步提高可靠性。PLC將在硬件上采用多CPU的容錯(cuò)系統(tǒng)，軟件上開發(fā)更加高級(jí)的診斷程序，以及發(fā)展軟

49、件的容錯(cuò)技術(shù)，增強(qiáng)PLC的自診斷和外部故障檢測(cè)功能等。在PLC線路中采用隔離技術(shù)防止外部高壓的竄入；采用濾波技術(shù)，可以有效恢復(fù)作用。</p><p>　　可見PLC實(shí)質(zhì)上是一種面向用戶的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)，它與通用計(jì)算機(jī)相比有其自身的特點(diǎn)。</p><p>　　提供更方便靈活的編程方法，PLC的使用更加的方便。最大特點(diǎn)是采用清晰直觀的繼電器控制線路演化過來的梯形圖作為編程語言，梯形圖是面向

50、控制過程，面向操作人員的語言。因此梯形圖程序簡(jiǎn)單易學(xué)，易修改，深受電器工作人員的歡迎。</p><p>　　PLC的結(jié)構(gòu)和規(guī)模將更加兩極化——更強(qiáng)大和更小巧。更強(qiáng)大是指存儲(chǔ)容量更大，I/O點(diǎn)數(shù)更多，執(zhí)行速度更高，智能化程度更強(qiáng)，數(shù)據(jù)更安全；更小巧是指體積更小，價(jià)格更低，但性能更強(qiáng)的微型化PLC。</p><p>　　PLC產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化將有利于PLC的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)。<

51、;/p><p>　　加強(qiáng)PLC的聯(lián)網(wǎng)功能。加強(qiáng)PLC與PLC之間，PLC與計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)能力，為實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化提供必要的條件。這樣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、交換和處理。</p><p>　　1.4可編程控制器的基本功能和特點(diǎn)</p><p>　　1.4.1 PLC基本功能</p><p><b>　?。?）邏輯控制功能</b

52、></p><p>　　邏輯最可恨功能實(shí)際上就是位處理功能，是可編程控制器的最基本的功能之一。PLC設(shè)置有“與”、“或”、“非”等邏輯指令，根據(jù)外部現(xiàn)場(chǎng)（開關(guān)、按鈕或其他傳感器）的狀態(tài)，按照制定的邏輯進(jìn)行運(yùn)算處理后，將結(jié)果輸出到現(xiàn)場(chǎng)的被控對(duì)象（電磁閥、接觸器、繼電器、指示燈等）。因此PLC中一個(gè)邏輯位的狀態(tài)可以無限次地使用，邏輯關(guān)系的修改變更也十分方便。</p><p><b&

53、gt;　?。?）定時(shí)控制功能</b></p><p>　　PLC中用戶提供使用的定時(shí)器，定時(shí)器的設(shè)定值（定時(shí)時(shí)間）可以在編程時(shí)設(shè)定，也可以在運(yùn)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改，使用方便靈活。</p><p><b>　　（3）計(jì)數(shù)控制功能</b></p><p>　　PLC為用戶提供了很多計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器到某一定值時(shí)（設(shè)定值），產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信

54、號(hào)，利用該信號(hào)實(shí)現(xiàn)某個(gè)操作的計(jì)數(shù)控制。</p><p><b>　?。?）步進(jìn)控制功能</b></p><p>　　PLC為用戶提高了若干個(gè)狀態(tài)器，可以實(shí)現(xiàn)有時(shí)間、技術(shù)和其他指定邏輯信號(hào)為轉(zhuǎn)移條件的步進(jìn)控制，即在一道工序完成以后，在轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行下一道工序。</p><p>　　( 5 ) 數(shù)據(jù)處理功能</p><

55、p>　　大部分PLC都有數(shù)據(jù)處理功能，可實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、譯碼等操作。</p><p>　　( 6 ) 過程控制功能</p><p>　　有些PLC具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能方便地對(duì)模擬量的控制調(diào)節(jié)。</p><p>　　( 7 ) 通信聯(lián)網(wǎng)功能</p><p>　　有些PLC采用通信技術(shù)，可以多臺(tái)PLC之間的

56、同位鏈接、PLC與計(jì)算機(jī)只見愛你的通信等。</p><p>　　( 8 ) 監(jiān)控功能</p><p>　　PLC設(shè)置了較強(qiáng)的監(jiān)控功能。操作人員利用編程器或監(jiān)視器可多PLC的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。利用編程器可以調(diào)整定時(shí)器、定時(shí)器的設(shè)定值和當(dāng)前值，并根據(jù)需要改變PLC內(nèi)部邏輯信號(hào)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為調(diào)試和維護(hù)提供極大的方便。</p><p>　　( 9 ) 停電記憶功

57、能</p><p>　　PLC內(nèi)部的部分存儲(chǔ)器所使用的RAM設(shè)置了停電保持器件（如備用電池），以保證斷電后這部分存儲(chǔ)器中的信息不會(huì)丟失。</p><p>　　(10) 故障診斷功能</p><p>　　PLC可對(duì)系統(tǒng)組成、某些硬件狀態(tài)及指令的合法性等進(jìn)行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報(bào)警并顯示錯(cuò)誤類型，如屬嚴(yán)重錯(cuò)誤則自動(dòng)終止運(yùn)行。</p><p>

58、;　　1.4.2 PLC的特點(diǎn)</p><p>　　PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，30年，可編程控制器從無到有，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域界限邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍，其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步，其領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備控制到勝任運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、及集散控制等各種任務(wù)的跨越，今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用，主要特點(diǎn)有：</p>&

59、lt;p>　　可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)工廠環(huán)境</p><p>　　編程簡(jiǎn)單、直觀，可邊學(xué)邊用</p><p><b>　　適應(yīng)性好，具有柔性</b></p><p><b>　　功能完善，接口多樣</b></p><p><b>　　易于操作，維護(hù)方便</b>&l

60、t;/p><p>　　體積小、功能強(qiáng)大、用途廣</p><p>　　1.4.3 PLC的分類</p><p>　　PLC的種類很多，其實(shí)現(xiàn)的功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC的分類并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是按結(jié)構(gòu)形式、最可恨規(guī)模、實(shí)現(xiàn)的功能大致地分類。 </p><p>　　1. 按結(jié)構(gòu)形式分類</p>

61、<p>　　PLC按硬件的結(jié)構(gòu)形式可以分整體式和模塊式。</p><p>　?。?）整體式PLC 整體式PLC的CPU、存儲(chǔ)器I/O安裝在統(tǒng)一機(jī)體內(nèi)（如三菱的FX系列）。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低。適用于嵌入控制設(shè)備的北部，常用與單機(jī)控制。</p><p>　?。?）模塊式PLC 組合式PLC為總線結(jié)構(gòu)。其總線做成總線板，上面有若干個(gè)總線槽，每個(gè)總線槽

62、上可安裝一個(gè)PLC模塊，不同的模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能。配置靈活、組裝方便、擴(kuò)展容易。</p><p>　　2. 按I/O點(diǎn)數(shù)和功能分類</p><p>　　I/O的點(diǎn)數(shù)是衡量PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)?？煞譃樾⌒蚉LC、中型PLC、和大型PLC。 </p><p>　　微型PLC I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)</p>

63、;<p>　　小型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在64-56點(diǎn)之間 </p><p>　　中型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在256-512點(diǎn)之間</p><p>　　大型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在512-8192點(diǎn)之間</p><p>　　3. 按控制實(shí)現(xiàn)的功能分類</p><p>　　按照PLC所能實(shí)現(xiàn)的功能不同，可以把PLC大致

64、地分為低檔PLC、中檔PLC、高檔PLC三類。</p><p>　　1.5可編程控制器的組成和工作原理</p><p>　　1.5.1可編程控制的硬件組成</p><p>　　PLC主要有中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、EPROM）、I/O、電源、擴(kuò)展接口和編程器接口等部分組成。</p><p>　　在常規(guī)電氣控制電路中，輸入元件和輸出

65、元件的連接是通過導(dǎo)線連接的。而PLC的輸入元件和輸出元件的連接不是通過導(dǎo)線連接的，而是通過程序來連接的。所以不會(huì)發(fā)生常規(guī)電氣控制電路所出現(xiàn)的問題。</p><p>　　PLC的控制程序由編程器或計(jì)算機(jī)通過編程電纜輸入到PLC中，還可以對(duì)PLC內(nèi)部控制的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和修改，十分方便。當(dāng)控制功能發(fā)生變化時(shí)，不必重新改接線，只需改變程序就可以了。</p><p>　　FX2N型可編程序控制

66、器上設(shè)置有4個(gè)指示燈，以顯示PLC的電源、運(yùn)行/停止、內(nèi)部鋰電池的電壓、CPU和程序的工作狀態(tài)。</p><p>　　FX2N型可編程序控制器是一種小型機(jī)，一般小型機(jī)多采用整體式，當(dāng)輸入輸出不夠用時(shí)可以通過擴(kuò)展端口增加輸入輸出的擴(kuò)展模塊，通過擴(kuò)展端口還可以連接各種特殊模塊。</p><p>　　圖1-1可編程控制器實(shí)物組成</p><p>　　圖1-2 PLC硬件的

67、基本結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　CPU模塊</b></p><p>　　在PLC系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。</p><p><b>　　I/O模塊</b></p><p>　　輸入（INPUT）模塊和輸出（OUTPUT）模塊簡(jiǎn)稱I/

68、O模塊，他們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊的橋梁。</p><p>　　輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、限位開關(guān)、接地開關(guān)、光電開關(guān)、等數(shù)字信號(hào)，模擬輸入模塊用來接收電位器，測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。數(shù)字量輸入模塊用來控制接觸、器電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警器裝置器等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制

69、調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。</p><p>　　CPU模塊的工作電壓一般是DC5V，而PLC的輸出/輸出信號(hào)電壓信號(hào)一般較高,如DC5V和AC220V，可防止從外部引入的尖峰的電壓和干擾信號(hào)可能損壞CPU模塊中的元器件或影響PLC的正常工作。I/O模塊中，用光電耦合器、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負(fù)載，I/O模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離作用。</p><p><b&

70、gt;　　編程裝置</b></p><p>　　編程裝置用來生成用戶程序，并對(duì)它進(jìn)行編輯、檢查和修改，手持式編程不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它體積小，價(jià)格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用來現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同的編程語言的互相轉(zhuǎn)換，程序被編譯下載到PLC也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)

71、程編程和傳遞。</p><p><b>　　電源</b></p><p>　　PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供各種直流電源，驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源一般由用戶提供。</p><p>　　1.5.2 可編程控制的軟件系統(tǒng)和程序</p><p>　　PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，不僅

72、有硬件，軟件也是必不可少的。在PLC中軟件分為兩大部分，即系統(tǒng)程序和用戶程序。</p><p>　　( 1 ) 系統(tǒng)程序時(shí)PLC賴以工作的基礎(chǔ)，采用匯編語言寫，在PLC車廠時(shí)就醫(yī)固化于ROM型系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中，不需要用戶干擾。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。</p><p>　　( 2 ) 用戶程序又稱為應(yīng)用程序，是用戶為完成某一特定任務(wù)而利用PLC的編程語言而編制的程序。用戶程序通過

73、編程器輸入到PLC的用戶存儲(chǔ)器中，通過PLC的運(yùn)行而完成這一特定的任務(wù)。</p><p>　　1.5.3 可編程控制器的工作原理</p><p>　　PLC內(nèi)部有許多具有不同功能的器件，實(shí)際上這些器件是由電子電路和存儲(chǔ)器組成的。例如，輸入繼電器X由輸入電路和映像輸入觸點(diǎn)的存儲(chǔ)器組成；輸出繼電器Y由輸出電路和映像輸出點(diǎn)的存儲(chǔ)器組成；定時(shí)器T、計(jì)數(shù)器C、輔助繼電器M、狀態(tài)器S、數(shù)據(jù)寄存器D、

74、變址積存器V/Z等都有存儲(chǔ)器組成。為了把它們與普通的硬件區(qū)分開，通常把上面的器件成為軟器件。從工作過程看，只注重器件的功能和器件的名稱。如，輸入繼電器X、輸出繼電器Y等，而且每個(gè)器件都有確定的地址編號(hào)，這對(duì)編程十分重要。</p><p>　　PLC的工作原理可概括為；在系統(tǒng)管理程監(jiān)控下，對(duì)I/O集中采樣、順序執(zhí)行用戶程序并將運(yùn)算結(jié)果集中輸出的工作過程，與計(jì)算機(jī)不同的是，計(jì)算機(jī)一般采用查詢等待命令的工序的執(zhí)行并轉(zhuǎn)到

75、相應(yīng)子程序。因此，當(dāng)控制軟件發(fā)生故障時(shí)，會(huì)一直等待鍵盤或I/O命令，可能發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。而PLC作為專用工業(yè)控制機(jī)，一般采用掃描用戶程序工作方式，系統(tǒng)管理及應(yīng)用程序的執(zhí)行全部是以循環(huán)掃描方式完成。當(dāng)軟件發(fā)生故障時(shí)，可以定時(shí)執(zhí)行下一輪掃描，避免了死機(jī)現(xiàn)象，因此可靠性更高。</p><p>　　1.6 解決的主要問題</p><p>　　機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工

76、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)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(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2～3個(gè)

77、自由度。 </p><p>　　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；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；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。 </p><p>　　機(jī)械手通常用作機(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

78、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</p><p>　　機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。主要解決代替人的繁重勞動(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)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p><b>　　第2章 設(shè)計(jì)原理</b></p

79、><p>　　2.1 操作原理簡(jiǎn)要說明</p><p>　　機(jī)械手有手動(dòng)、單周期、多周期和回原點(diǎn)五種工作方式，機(jī)械手在最上面、最左邊且電磁鐵線圈斷電，稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)（或稱初始狀態(tài)）。</p><p>　　在用戶程序中，坐限位開關(guān)，上限位開關(guān)的常開觸點(diǎn)和表示電磁鐵線圈斷電常閉觸點(diǎn)的串聯(lián)電路接通時(shí)，“原點(diǎn)條件”輔助繼電器變位NO。在通過初始化指行IST利用輔助繼電器來

80、決定機(jī)械手的工作方式， 在單周工作方式下，在初始狀態(tài)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手從初始步開始一個(gè)接一個(gè)周期地反復(fù)連續(xù)的工作。在按下停止按鈕并不馬上停止工作，完成最后一個(gè)周期的工作后，系統(tǒng)才返回并停留在初始步。</p><p>　　在單步工作方式下，從初始步開始，按下按鈕系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到下一步完成該步任務(wù)后，自動(dòng)停止工作并停留在該步，再按一下啟動(dòng)按鈕才轉(zhuǎn)到下一步。單步工作方式常用于系統(tǒng)的調(diào)試。在選擇單周期，多周期和單步工作方

81、式之前，系統(tǒng)應(yīng)處于原點(diǎn)狀態(tài)，如果不滿足這一條件，可選擇回原點(diǎn)工作方式。</p><p>　　機(jī)械手的一個(gè)工作周期（動(dòng)作順序）為下降、夾緊、上升、右行、下降、釋放、上升、左行返回。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降到為達(dá)下限位時(shí)，下限位處于斷電狀態(tài)。夾緊，然后機(jī)械手上升，上升到上限位時(shí)，機(jī)械手臂右行。當(dāng)右行到右限位時(shí)，機(jī)械手下降，下降到下限位時(shí)氣抓斷電，釋放工件，工件放入指定位置。然后回到原點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械手

82、在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降到為達(dá)下限位時(shí)，接通，夾緊工價(jià)，機(jī)械手上升，上升到上限位時(shí)，機(jī)械手臂右行，當(dāng)右行到限位開關(guān)時(shí)機(jī)械手下降，下降到下限位時(shí)，氣抓放松。然后回到原點(diǎn)位置，機(jī)械手動(dòng)作完成。</p><p>　　2.2 機(jī)械手的構(gòu)成</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可轉(zhuǎn)動(dòng)、開閉手指。機(jī)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)

83、三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對(duì)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。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤。本設(shè)計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的捉住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確的定位?？傊?，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、

84、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種；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)。其中以電氣、氣動(dòng)用的最多，占90%以上；液壓機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過液壓缸、閥、液壓泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液壓馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺

85、動(dòng)液壓缸、液壓馬達(dá)與減速器、液壓缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大，動(dòng)作平緩，可無極變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4到6個(gè)大氣壓（392到588kpa),個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓（785-981kpa）。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)

86、是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力，出力比較大。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，

87、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于工作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。她的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。</p><p>　　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)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90%以上。</p><p

88、>　　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。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、以小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.3 各電氣設(shè)備的控制方式及控制要求</p>&l

89、t;p>　　2.3.1機(jī)械手的機(jī)能和特性</p><p>　　根據(jù)古典力學(xué)觀點(diǎn)，物體在三維空間內(nèi)的靜止位置是由三個(gè)坐標(biāo)和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機(jī)械手，其技能要接近于人的上肢，則需要具有27個(gè)自由度，而每一個(gè)自由度至少要有一根人造肌肉。這樣就需要安裝27根重量輕、小型和高輸出力的人造肌肉。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦

90、到，而且把機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)搞的那么復(fù)雜，動(dòng)作彼此嚴(yán)重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機(jī)械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機(jī)、本體、手臂和手指都得有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，總共要有24個(gè)自由度。這在實(shí)際上也是不必要的，這樣會(huì)使機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動(dòng)作，增加過多的自由度，而應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要的動(dòng)作設(shè)計(jì)出最少的自由度，就能完成作業(yè)所要求的動(dòng)作。所以一般專用的機(jī)械手通常具有兩到三個(gè)自由度。而通用機(jī)械手則一般取四

91、到五個(gè)自由度。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它共有五個(gè)自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動(dòng)、手臂左右擺動(dòng)、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。</p><p>　　2.3.2軀干和傳動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　機(jī)械手的傳動(dòng)分液壓、氣壓、電氣和機(jī)械四種，本設(shè)計(jì)采用綜合傳動(dòng)方即</p><p>　　手臂采用電氣傳動(dòng)，而手爪則采用氣壓傳動(dòng)。如圖

92、</p><p><b>　　圖2.1機(jī)械手模型</b></p><p><b>　　1、夾緊機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時(shí)要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)-手爪時(shí)，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的

93、重量、慣性和沖擊力的大小來計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活和工作可靠。</p><p>　　夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤和電磁式

94、等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)采用機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)。</p><p>　　機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)的方式和模仿人手的動(dòng)作?？煞譃榛剞D(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力來源則可分為彈簧式、氣動(dòng)式、液壓式等。本設(shè)計(jì)采用二指式氣動(dòng)手爪。由可編程控制控制電磁閥動(dòng)作，從而控制手爪的張閉。手爪的回轉(zhuǎn)則用

95、一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)完成，同時(shí)通過兩個(gè)限位磁頭完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設(shè)置在180°。</p><p><b>　　2.軀干</b></p><p>　　軀干由底盤和手臂兩大部分組成;</p><p>　　( 1 ) 盤底是支撐機(jī)械手全部重量并能帶動(dòng)手臂旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，盤底旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手每旋轉(zhuǎn)3&#

96、176;發(fā)出一個(gè)脈沖，由傳感氣檢測(cè)并送入可編程控制器，從而計(jì)算盤底旋轉(zhuǎn)的角度。同時(shí)，在盤底裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)270°。</p><p>　　( 2 ) 手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使他們遠(yuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)。手臂采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿、螺母來實(shí)現(xiàn)伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。由可編程控制器發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾

97、珠絲桿旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運(yùn)動(dòng)。改變發(fā)出脈沖的個(gè)數(shù)，可控制手臂的兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的距離。同時(shí)在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。采用絲桿、螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖，位置精度較高，傳動(dòng)效率較高。</p><p>　　2.3.3 電器元件和設(shè)備的選擇</p><p>　　1.PLC機(jī)型的選擇 </p><p>　　根據(jù)被控制對(duì)象對(duì)PLC,基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能要求，可進(jìn)行P

98、LC型號(hào)的選定。</p><p>　　進(jìn)行PLC選型時(shí)，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時(shí)要兼顧維修、備件的通用性。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，當(dāng)控制速度要求較不高時(shí)，一般的小型PLC都可以滿足要求，如對(duì)小型泵的順序控制、單臺(tái)機(jī)械的目的自動(dòng)控制等。當(dāng)控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號(hào)等情況時(shí)，要考慮輸入/輸出點(diǎn)的形式，最好采用晶體管形式輸出。對(duì)帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的溫度、壓力、流量、液

99、位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選擇具有所需功能的PLC主機(jī)，還要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的傳動(dòng)感器、變送器和驅(qū)動(dòng)裝置等。</p><p>　　輸入/輸出的點(diǎn)數(shù)可以衡量PLC規(guī)模的大小。準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)被控對(duì)像的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充，在實(shí)際的調(diào)整和擴(kuò)充，在實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，一般應(yīng)加上10%-20%的備用點(diǎn)數(shù)。多數(shù)小型PLC為整體式，具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

100、模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入模塊、功能模塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復(fù)雜的系統(tǒng)。</p><p>　　此外，還應(yīng)考慮用戶存儲(chǔ)器的容量、PLC的處理速度是否能滿足實(shí)時(shí)控制的要求、編程器與外圍設(shè)備的選擇等。</p><p>　　本設(shè)備控制的對(duì)象是一個(gè)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，同時(shí)利用脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，故應(yīng)采用晶體

101、管形式的輸出。三菱FX系列的PLC性價(jià)比搞、功能完善、指令豐富等優(yōu)點(diǎn)，能滿足本對(duì)象各項(xiàng)控制性能要求，因此，本系統(tǒng)采用三菱FX2N—48MR系列PLC作為基本模塊（如圖2.2所示PLC），能輸出兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。</p><p><b>　　2.電源模塊： </b></p><p>　　采用Dm150系列開關(guān)電源。其特點(diǎn)是輸出功率大、體積小，重量輕、可靠

102、性高，適應(yīng)寬范圍的輸入電壓波動(dòng)，具有完備的過電壓、過電流保護(hù)功能。</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　?。?）輸入交流電壓：110-220V/50HZ、60HZ</p><p>　?。?）輸出直流電壓：24V/6.5A</p><p>　?。?）最大功率：156W</p>&

103、lt;p>　?。?）工作環(huán)境：-10-40°C</p><p>　　3.三相異步電動(dòng)機(jī)：</p><p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，但各類三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙.</p><p>　　圖2-2 封閉式三相籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>

104、　　1—軸承；2—前端蓋；3—轉(zhuǎn)軸；4—接線盒；5—吊環(huán)；6—定子鐵心；</p><p>　　7—轉(zhuǎn)子；8—定子繞組；9—機(jī)座；10—后端蓋；11—風(fēng)罩；12—風(fēng)扇</p><p>　　( 1 )定子部分 </p><p>　　定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。三相電動(dòng)機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。</p><p><b&g

105、t;　?、偻鈿?lt;/b></p><p>　　三相電動(dòng)機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。 </p><p>　　機(jī)座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動(dòng)機(jī)的定子繞組。中、小型三相電動(dòng)機(jī)的機(jī)座還有兩個(gè)端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。</p><p>　　

106、端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動(dòng)，另外起存放潤(rùn)滑油和保護(hù)軸承的作用。</p><p>　　接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)和固定繞組的引出線端子。</p><p>　　吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機(jī)座的上

107、端，用來起吊、搬抬三相電動(dòng)機(jī)。 </p><p><b>　?、诙ㄗ予F心</b></p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖3-2所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。 </p>

108、;<p>　?。╝）定子鐵心 （b）定子沖片 </p><p>　　圖2-3 定子鐵心及沖片示意圖 </p><p><b>　?、鄱ㄗ永@組</b></p><p>　　定子繞組是三相電動(dòng)機(jī)的電路部分，三相電動(dòng)機(jī)有三相繞組，通入三相對(duì)稱電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，

109、且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動(dòng)機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動(dòng)機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)為U2, V2, W2 。這六個(gè)出線端在接線盒里的排列如圖3-3所示，可以接成星形或三角形。

110、</p><p>　?。╝）星形連接 （b）三角形連接</p><p>　　圖2-4 定子繞組的聯(lián)結(jié)</p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)子部分</b></p><p>　　①轉(zhuǎn)子鐵心 是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，

111、一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。</p><p>　　②轉(zhuǎn)子繞組 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)與籠形異步電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　a.繞線形繞組 與定子繞組一樣也是一個(gè)三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動(dòng)勢(shì)以改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，見圖3-4。 &l