機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。也是近幾十年發(fā)展起來(lái)一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。

2、隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn), 可以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，

3、能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)械手；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ma

4、nipulator is part of the action imitating the hands, according to the given program, track and requirements to achieve automatic grab, and carrying automatic mechanical device. In the past few decades is also developed a

5、 high-tech automatic production equipment, it to stability, improve product quality, improve the production efficiency, improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role, along with the dev

6、elopment of the industrial mechanization and automation an</p><p>　　The design of the manipulator and add plane rotation type and structure, the action of the manipulator by pneumatic cylinder driving, pneum

7、atic cylinder of the corresponding electromagnetic valve to control, electromagnetic valve controlled by PLC. Drive the implementation of the component finish, can very convenient embedded in all kinds of industrial prod

8、uction line. Manipulator used PLC control, and has high reliability, change program flexible, and other advantages, whether for time control </p><p>　　Keywords: PLC ; robot;</p><p><b>　　目

9、錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論4</b></p><p>　　1.1機(jī)械手的概述4</p><p>　　1.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介4</p><p>　　1.1.2 機(jī)械手的發(fā)展5</p><p>　　1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的的發(fā)展?fàn)顩r6</p>

10、<p>　　第二章可編程控制器7</p><p>　　2.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成7</p><p>　　2.2 可編程控制器的工作原理9</p><p>　　2.3 SIEMENS S7-300可編程控制器10</p><p>　　第三章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1機(jī)

11、械手的工作過(guò)程及控制要求11</p><p>　　3.1.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.1.2 機(jī)械手的控制要求13</p><p>　　3.1.3機(jī)械手軟件的選擇14</p><p>　　3.2 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)15</p><p>　　3.2.1 機(jī)械手主要類型和自由度的選

12、擇15</p><p>　　3.2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.3 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.4 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定16</p><p>　　3.2.5 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.6 機(jī)械手的主要參數(shù)16<

13、/p><p>　　3.2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表17</p><p>　　第四章 PLC模塊及其程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試19</p><p>　　4.1 PLC模塊的選型19</p><p>　　4.2 機(jī)械手的PLC程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試20</p><p>　　4.2.1 編程序控制器的選擇20</p>&

14、lt;p>　　4.3 制器控制方案20</p><p>　　4.3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介20</p><p>　　4.3.2編程序控制器的工作流程設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.3.3編程序控制器的存儲(chǔ)區(qū)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4 硬件、軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試21</p><p>　　4.4.1統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

15、與組態(tài)21</p><p>　　4.4.2 軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4.3 硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試21</p><p>　　4.4.4 機(jī)械手控制程序22</p><p><b>　　第五章 結(jié)論24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b&g

16、t;</p><p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1機(jī)械手的概述</b></p><p>　　1.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介</p><p>　　機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作

17、，按照給定程序、軌跡和要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手叫做“工業(yè)機(jī)械手”。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機(jī)械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交

18、通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人及機(jī)械手所作的定義不盡相同。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)機(jī)器人的定義:“機(jī)器人是一種能自動(dòng)定位、可控的可編程的多功能操作機(jī)。這類操作機(jī)具有幾個(gè)軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)?！?lt;/p><p>　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(NBS)對(duì)機(jī)器人的定義:“一種可編程，并在自動(dòng)化控制下執(zhí)行某種特

19、定操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置?！比毡竟I(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來(lái)定義:(1)工業(yè)機(jī)器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動(dòng)作的多功能機(jī)器?！?2)智能機(jī)器人:“一種具有感覺(jué)和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器。”</p><p>　　機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手:它作為整機(jī)的附屬部分，動(dòng)

20、作簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，具有固定(有時(shí)可調(diào))程序，使用大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手:它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。將PLC的主要部分(包括CPU、 I/O系統(tǒng)、電源等) 體積小，安裝方便，全部安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。</p><p>　　1.1.2 機(jī)械手的

21、發(fā)展</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來(lái)的，始于40年代的美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，命名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。19

22、62年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可作點(diǎn)位和軌跡控制；該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開(kāi)始應(yīng)用。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算

23、機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±lmm。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國(guó)Kuka公司還生產(chǎn)一</p><p>　　我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手開(kāi)發(fā)于上海，隨之全國(guó)各省都開(kāi)始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃(1986-1990)開(kāi)始，我國(guó)政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目

24、投入的大量的資金，研究開(kāi)發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器等等。這些機(jī)人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所(SIA)和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC--PWM等等。&

25、lt;/p><p>　　我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手(或第一代機(jī)械手)發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；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，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械機(jī)械手等?？梢詫C(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)，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，選用不同的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。手和組合式</p><

26、p>　　1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　氣動(dòng)技術(shù)——這個(gè)被譽(yù)為工業(yè)自動(dòng)化之“肌肉”的傳動(dòng)與控制技術(shù)，在加工制造業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，并獲得了廣泛應(yīng)用。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的發(fā)展。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工

27、業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備來(lái)滿足社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐需要也越來(lái)越多的受到重視，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要實(shí)用技術(shù)。</p><

28、p>　　工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展至今，氣動(dòng)定位系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的兩點(diǎn)可靠定位發(fā)展到任意位置定位。傳統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)只能在兩個(gè)機(jī)械調(diào)定位置可靠定位，并且其運(yùn)動(dòng)速度只能靠單向節(jié)流閥單一調(diào)定的狀態(tài)，經(jīng)常無(wú)法滿足許多設(shè)備的自動(dòng)控制要求。因而電—?dú)獗壤退欧刂葡到y(tǒng)，特別是定位系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因?yàn)椴捎秒姟獨(dú)馑欧ㄎ幌到y(tǒng)可非常方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無(wú)極定位(柔性定位)和無(wú)極調(diào)速，此外利用伺服定位氣缸的運(yùn)動(dòng)速度連續(xù)可調(diào)性以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流閥和氣缸端部緩沖方

29、式，可以達(dá)到最佳的速度和緩沖效果，大幅度降低氣缸的動(dòng)作時(shí)間，縮短工序節(jié)拍，提高生產(chǎn)率。原先要設(shè)計(jì)某一專用機(jī)械手時(shí)，由于無(wú)法做到氣缸任意位置上的定位，因此氣缸的定位是靠選擇它的兩個(gè)終點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如選用多位氣缸，他的定位長(zhǎng)度由氣缸的行程預(yù)先來(lái)確定。如果需要增加一個(gè)停頓位置，或者要改變其中兩個(gè)位置之間的距離，原來(lái)設(shè)計(jì)的多位氣缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就越復(fù)雜。也有在其外部設(shè)立固定擋塊來(lái)限制位置定位的(

30、由于受到擋塊本身尺寸的限制，兩個(gè)相鄰的位置的距離必須大于擋塊的尺寸，且擋塊也經(jīng)不起重載和高速?zèng)_擊。</p><p><b>　　第二章可編程控制器</b></p><p>　　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。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)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(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出來(lái)

31、控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，它具有編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、通用性強(qiáng)、使用靈活、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該種技術(shù)是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)。因此近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于

32、電氣自動(dòng)化中。</p><p>　　要正確、合理地應(yīng)用PLC去完成機(jī)械手的控制任務(wù)，首先應(yīng)了解它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，這對(duì)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有著非常重要的作用。</p><p>　　2.1 可編程控制器的系統(tǒng)組成</p><p>　　可編程控制器主要由中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口、編程器等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。&l

33、t;/p><p><b>　　(1)CPU</b></p><p>　　CPU作為整個(gè)PLC的核心起著總指揮的作用，是PLC的運(yùn)算和控制中心。它的主要任務(wù)是:</p><p>　?、僭\斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。</p><p>　?、谟脪呙璺绞讲杉涩F(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存人輸入映象寄

34、存器或數(shù)據(jù)寄存器中。</p><p>　　③在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，經(jīng)編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)，并更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容。</p><p><b>　　(2)存儲(chǔ)器</b></p><p>　　PLC內(nèi)部的存儲(chǔ)器有兩類:</p>

35、<p>　　一類是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用以存放系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序根據(jù)PLC功能的不同而不同。生產(chǎn)廠家在PLC出廠前己將其固化。在只讀存儲(chǔ)器ROM或PROM中，用戶不能更改。另一類是用戶存儲(chǔ)器，包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這類存儲(chǔ)器一般由隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可通過(guò)編程器讀出并更改。為了防止RAM中的程序和數(shù)據(jù)因電源停電而丟失，可用鋰電池作為后備電源，一旦交流電源停電，用鋰電池維持供電。PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給

36、出的存儲(chǔ)器類型和容量是到對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的。</p><p><b>　　(3)輸入輸出接口</b></p><p>　　輸入/輸出(I/O)接口是將PLC與現(xiàn)場(chǎng)各種輸入/輸出設(shè)備連接起來(lái)的部件(有時(shí)也被稱為I/O單元或I/O模塊)。輸入接口通過(guò)PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備(如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、光電開(kāi)關(guān)、溫度開(kāi)關(guān)等)的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接

37、受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸入信號(hào)是通過(guò)光電耦合器件傳送給內(nèi)部電路的，輸入信號(hào)與內(nèi)部電路之間并無(wú)電的聯(lián)系，通過(guò)這種隔離措施可以防止現(xiàn)場(chǎng)干擾串入PLC輸出接口則相反，它將經(jīng)CPU處理過(guò)的輸出數(shù)字信號(hào)(1或0)傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開(kāi)，從而驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設(shè)備獲得或失去工作所需的電壓或電流。為適應(yīng)不同類型的輸出設(shè)備負(fù)載。</p><p><b>　　(4)電源</b>

38、</p><p>　　PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等內(nèi)部電子電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。輸入、輸出接口電路的電源彼此相互獨(dú)立，以避免或減小電源間干擾。</p><p><b>　　(5)編程器</b></p><p>　　編程器是人與PLC聯(lián)系和對(duì)話的工具

39、，是PLC比最重要的外圍設(shè)備。用戶可以利用編程器來(lái)輸入、讀出、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，也可用它監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)，顯示錯(cuò)誤代碼或修改系統(tǒng)寄存器的設(shè)置參數(shù)等。除采用手持編程器編程和監(jiān)控外，還可通過(guò)PLC的RS232C外設(shè)通訊口(或S422口配以適配器)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，并利用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用工具軟件，來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。相比起來(lái)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控往往比手持編程工具更加直觀和方便。</p><p&g

40、t;　　(6) I/O擴(kuò)展接口</p><p>　　若主機(jī)(基本單元)的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出設(shè)備點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電細(xì)線將I/O擴(kuò)展單元與基本單元相連，以增加I/O點(diǎn)數(shù)。</p><p><b>　　(7)外部設(shè)備接口</b></p><p>　　外部設(shè)備接口可將編程器、上位計(jì)算機(jī)、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、打印機(jī)、條碼判讀器等外部設(shè)備于

41、主機(jī)CPU連接，以完成相應(yīng)的操作。</p><p>　　2.2 可編程控制器的工作原理</p><p>　　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 </p><p>　　(1) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PL

42、C以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 </p><p>　　(2) 用戶程序執(zhí)行階段 </p><p&

43、gt;　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的

44、狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 </p><p>　　(3) 輸出刷新階段 </p><p>　　當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，P

45、LC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備，這時(shí)，才是PLC的真正輸出。</p><p>　　2.3 SIEMENS S7-300可編程控制器</p><p>　　S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。SIMATIC S7-300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可

46、進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。</p><p>　　S7-300主要由以下幾個(gè)部分組成:(1)中央處理單元(CPU)各種CPU有各種不同的性能，例如，有的CPU上集成有輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通訊接口等。(2)信號(hào)模塊(SM)用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。(3)通訊處理器(CP)用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。(4)功能模塊(FM)用于高速計(jì)數(shù)，定位操作(開(kāi)環(huán)或閉環(huán)定位)和閉環(huán)控制。(5)負(fù)載電

47、源模塊(PS)用于將SIMATIC S7-300連接到120/230 伏交流電源，或24/48/60/110伏直流電源。(6)接口模塊(IM)用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。S7-300通過(guò)分布式的主機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER),可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。運(yùn)行時(shí)無(wú)需風(fēng)扇。(7)SIMATIC S7-300適用于通用領(lǐng)域。(8)高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，沖擊性，使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。 </p>

48、<p>　　S7-300有兩種類型:(1)標(biāo)準(zhǔn)型:溫度范圍從 0℃到 60℃。(2)環(huán)境條件擴(kuò)展型:溫度范圍從 -25℃ 到 +60℃ 更強(qiáng)的耐受振動(dòng)和污染特性。 </p><p>　　SIMATIC S7-300 的大量功能支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)、高速的指令處理。人機(jī)界面 (HMI)方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)。因此人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)

49、界面 (HMI)從 S7-300 中取得數(shù)據(jù)，S7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300 操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。診斷功能 CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件 (例如 ：超時(shí)，模塊更換，等等)。 </p><p>　　操作方式選擇開(kāi)關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫(xiě)用戶程序。通訊 這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而有效的

50、解決方案；方便用戶的STEP7的用戶界面提供了通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。</p><p>　　第三章 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1機(jī)械手的工作過(guò)程及控制要求</p><p>　　3.1.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由左工作臺(tái)搬到右工作臺(tái)。有上升、下

51、降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制。簡(jiǎn)易機(jī)械手在各類全自動(dòng)和半自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動(dòng)，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動(dòng)作由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)缸由相應(yīng)的電磁閥來(lái)控制，電磁閥由PLC控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖3.1為機(jī)械手簡(jiǎn)圖,其中 1-豎直氣缸，2-執(zhí)行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉(zhuǎn)軸，

52、6-支架，7-底座。</p><p>　　這個(gè)機(jī)械手具有二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度用于將源工作臺(tái)上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺(tái)上。機(jī)械手的直線動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。其升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)升降氣缸、垂直導(dǎo)柱、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開(kāi)關(guān)相互配合完成，升降工作行程為0~1500mm;轉(zhuǎn)動(dòng)是

53、通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)工作行程為0~180°；手爪是通過(guò)氣缸、彈簧的作用來(lái)夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來(lái)調(diào)整。</p><p>　　機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。采集感知信號(hào)及控制信號(hào)均由氣動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。主機(jī)部分采用了標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手能拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應(yīng)用工況的要求，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組

54、合，這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，代表氣動(dòng)技術(shù)今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向裝置更具有靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動(dòng)機(jī)械手、門架型氣動(dòng)機(jī)械手及滑塊型氣動(dòng)機(jī)械手，及其它各種類型的機(jī)械手。這些模塊化機(jī)械手組裝方便，動(dòng)作靈活，具有較高的定位精度，但工作空間比較小，主要應(yīng)用于一般的送料自動(dòng)線上。氣動(dòng)機(jī)械手具有三個(gè)

55、自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。</p><p>　　圖3-1 機(jī)械手簡(jiǎn)圖</p><p>　　圖3.1中工件所處位置為原點(diǎn)位置，根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動(dòng)作都從原點(diǎn)位置開(kāi)始，完成上升、下降運(yùn)動(dòng)，左移、右移運(yùn)動(dòng)和夾緊、放松動(dòng)作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟

56、動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。</p><p>　　根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3-2 機(jī)械手工作流程圖</p><p>　　可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)要求功能需要如下條件：</p><p>　　(1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)來(lái)完成，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速較高

57、，需要考慮安裝減速機(jī)，在這種頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的場(chǎng)合下，選用低速電機(jī)會(huì)更方便。</p><p>　　(2)橫梁在普通情況下，長(zhǎng)度是固定的，如果工作臺(tái)不進(jìn)行調(diào)整，橫梁長(zhǎng)度可永遠(yuǎn)不變。課題任務(wù)也未作橫梁要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，可能出現(xiàn)工作臺(tái)距離調(diào)整的情況，為增加機(jī)械手的通用性，本設(shè)計(jì)中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動(dòng)按鈕調(diào)整橫梁長(zhǎng)度。</p><p>　　(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機(jī)構(gòu)，可選用

58、電機(jī)傳動(dòng)的齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。</p><p>　　(4)抓緊機(jī)構(gòu)也可選用氣動(dòng)執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動(dòng)執(zhí)行模塊。 </p><p>　　(5)光電開(kāi)關(guān)在控制方面是作為輸入量的信號(hào)源之一，它可以選擇模擬輸入和數(shù)字輸入，根據(jù)課題要求和后面PLC的各輸入量的情況，選用數(shù)字輸送式的光電開(kāi)關(guān)更方便簡(jiǎn)捷。</p>&

59、lt;p>　　根據(jù)以上分析，機(jī)械構(gòu)造方案基本固定。整個(gè)機(jī)械手一共用到三個(gè)氣缸，PLC需要控制每個(gè)氣缸的動(dòng)作：橫梁長(zhǎng)氣缸的內(nèi)外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導(dǎo)桿氣缸的升降和各氣缸的定位控制上面所述的橫梁調(diào)整功能是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之一，另外兩個(gè)是工件計(jì)數(shù)和故障報(bào)警。</p><p>　　3.1.2 機(jī)械手的控制要求</p><p>　　機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周

60、期操作和連續(xù)操作方式。手動(dòng)操作是指用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制；單周期操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后停止；連續(xù)操作指機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成1個(gè)周期的動(dòng)作后，回到原點(diǎn)自動(dòng)停止。</p><p>　?。?）機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行：</p><p>　?、?下降：當(dāng)機(jī)

61、械手檢測(cè)到傳送帶A上有工件時(shí)，有原點(diǎn)位置開(kāi)始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)接通加緊電磁閥線圈。</p><p>　　② 加緊工件：當(dāng)機(jī)械手加緊到位時(shí)，壓力繼電器動(dòng)合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。</p><p>　?、?上升：當(dāng)機(jī)械手夾緊到位時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通右移電磁閥線圈。</p><p&g

62、t;　?、?右移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始右移，右移到位時(shí)，碰到有極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止右移，同時(shí)接通下降電磁閥線圈。</p><p>　?、?下降：當(dāng)機(jī)械手右移到位時(shí)，機(jī)械手重新開(kāi)始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)釋放加緊電磁閥線圈。</p><p>　?、?放松工件：放松動(dòng)作為時(shí)間控制，設(shè)為2秒。</p><p>　　⑦ 上升：工件放松

63、后，機(jī)械手開(kāi)始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通左移電磁閥線圈。</p><p>　?、?左移：機(jī)械手上升到位后，開(kāi)始左移，左移到位時(shí)，碰到左極限開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止左移。</p><p>　　⑨ 回到原位：機(jī)械手左移到位后，回到原點(diǎn)位置，再次自動(dòng)啟動(dòng)傳送帶A，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到工件后，又開(kāi)始新的工作循環(huán)周期。</p><p><b>　

64、　機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行</b></p><p>　?。?）手動(dòng)運(yùn)行是指機(jī)械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過(guò)對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制，與操作順序無(wú)關(guān)。</p><p>　　PLC模塊選擇：電源模塊，CPU模塊，輸入模塊，輸出模塊。其中輸入和輸出模塊都選用數(shù)字量的類型，輸入量較多，選擇32路模塊，輸出量較少選擇16路的模塊。</p><p>　　3.1.3

65、機(jī)械手軟件的選擇</p><p>　　與S7-300相配套的系統(tǒng)軟件是STEP 7編程軟件，界面如下圖所示：</p><p>　　圖3-3 STEP編程軟件</p><p>　　3.2 機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)</p><p>　　3.2.1 機(jī)械手主要類型和自由度的選擇</p><p>　　手臂的機(jī)構(gòu)基本上決定了

66、操作機(jī)的工作空間范圍，按機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)形式和形態(tài)來(lái)進(jìn)行分類，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標(biāo)型具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個(gè)互相垂直的獨(dú)立位移。由于其運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但操作靈活性較差，運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn)。（2）圓柱坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為(z，r，θ)。這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較

67、小，相對(duì)工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，手部可獲得較高的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運(yùn)機(jī)器人。（3）球座標(biāo)型具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞兩個(gè)平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對(duì)工作空間大等特點(diǎn)，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。</p>&

68、lt;p>　　由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在操作機(jī)中主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目應(yīng)等于操作機(jī)的自由度，因此，采用圓柱座標(biāo)型式，相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由。</p><p>　　3.2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。本系統(tǒng)采用南通大學(xué)的WQK-III電子氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)

69、驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。</p><p>　　3.2.3 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。本機(jī)械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進(jìn)行編程控制。</p><p>　　3.2.

70、4 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定</p><p>　　為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。本文設(shè)計(jì)的是抓握直徑為ø5~ ø20的零件。</p><p>　　3.2.5 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由

71、度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運(yùn)動(dòng)由伸縮氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.2.6 機(jī)械手的主要參數(shù)</p><p>　　1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)

72、生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求抓取的工件質(zhì)量為0.5KG。</p><p>　　2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄?/p>

73、速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。</p><p&g

74、t;　　3.2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表</p><p><b>　　一、用途:</b></p><p>　　用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容研究。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):</b></p><p><b>　　1、抓重</b></p><

75、p><b>　　2、自由度數(shù)</b></p><p><b>　　3個(gè)自由度</b></p><p><b>　　3、座標(biāo)型式</b></p><p><b>　　圓柱座標(biāo)</b></p><p><b>　　4、最大工作半徑</b&

76、gt;</p><p><b>　　5、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)</b></p><p><b>　　伸縮行程</b></p><p><b>　　伸縮速度</b></p><p><b>　　升降行程</b></p><p><b>

77、;　　升降速度</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)范圍</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)速度 </b></p><p><b>　　8、手指夾持范圍</b></p><p><b>　　棒料:</b></p><

78、;p><b>　　9、定位方式</b></p><p><b>　　行程開(kāi)關(guān)</b></p><p><b>　　10、定位精度</b></p><p><b>　　11、驅(qū)動(dòng)方式</b></p><p><b>　　氣壓傳動(dòng)</b&

79、gt;</p><p><b>　　12、控制方式</b></p><p>　　點(diǎn)位程序控制(采用PLC)</p><p>　　第四章 PLC模塊及其程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　4.1 PLC模塊的選型</p><p>　　插槽號(hào)1：電源模塊。電源的選擇根據(jù)整個(gè)PLC需要的電量，并且要留

80、出一些裕量，它的選型要在所有模塊完成之后計(jì)算確定。</p><p>　　插槽號(hào)2：CPU模塊，選擇CPU314，提供背板總線電流1200mA，功耗8W。</p><p>　　插槽號(hào)4：數(shù)字量輸入模塊，用到18路數(shù)字量輸入，需要選擇數(shù)字量模版：32×24V DC。從背板總線吸入電流25mA,功耗6.5W。</p><p>　　插槽號(hào)5：數(shù)字量輸出模塊，用到1

81、0路輸出。選擇數(shù)字量輸出摸板16×24V DC 0.5A，從背板總線吸入電流80mA,功耗5W。</p><p>　　可見(jiàn):所有信號(hào)摸板和功能模板從背板總線吸收的電流為:</p><p>　　25+120=145mA</p><p>　　沒(méi)有超過(guò)CPU314能提供的最大電流1200mA,所有模板從電源吸收的電流為：</p><p>

82、　　1000+145=1145 mA</p><p>　　所有模板的功耗為： 8+3.5+5=16.5W</p><p>　　通過(guò)計(jì)算可知：所有模板從背版總線吸收的電流為0.145A，沒(méi)有超過(guò)CPU314所能提供的最大電流1.2A。所有模板從電源吸收的電流為1.145A，在考慮裕量的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇PS307 5A的電源模板。因?yàn)镻S307 5A的功耗為18W，所以系統(tǒng)的總功耗

83、為：</p><p>　　16.5+18=34.5W</p><p>　　PLC的模板分配如表4-4所示：</p><p>　　表4-4 PLC模板分配表</p><p>　　4.2 機(jī)械手的PLC程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手

84、進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。</p><p>　　4.2.1 編程序控制器的選擇</p><p>　　目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國(guó)西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。本次設(shè)計(jì)中選擇了SIMATIC公司的S7-200的可編程序控制器。</p

85、><p>　　S7-200不同的CPU模塊的性能有較大的差別,在選擇CPU模塊時(shí),應(yīng)考慮到開(kāi)關(guān)量、模擬量模塊的擴(kuò)展能力,程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量,通信接口的個(gè)數(shù),本機(jī)I/O點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)等,當(dāng)然還要考慮性能價(jià)格比,在滿足要求的前提下盡量降低硬件成本。本機(jī)選用S7-200 CPU 224CN的型號(hào)。</p><p>　　4.3 控制器控制方案</p><p>　　4.3.1

86、 系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　本系統(tǒng)控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)及逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸

87、的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過(guò)編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。</p><p>　　4.3.2編程序控制器的工作流程設(shè)計(jì)</p><p>　　可編程序控制器是根據(jù)用戶需要來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。進(jìn)入界面以后,先進(jìn)行初始

88、化,使機(jī)械手的各個(gè)位置處于未工作狀態(tài)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)程序后，用戶可根據(jù)自己的需要選擇機(jī)械手的工作方式。當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)以后，按下開(kāi)始示教后，PLC內(nèi)部就記錄下用戶所操作的內(nèi)容，當(dāng)結(jié)束示教的時(shí)候，PLC停止記錄數(shù)據(jù)。在機(jī)械手回原來(lái)的位置時(shí)（初始化狀態(tài)），按下預(yù)備示教后，機(jī)械手處在再現(xiàn)準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)按下再現(xiàn)示教后，機(jī)械手就按先前用戶所操作的順序進(jìn)行操作。當(dāng)然也可根據(jù)需要進(jìn)行儲(chǔ)存所操作的

89、程序，在有必要的時(shí)候進(jìn)行調(diào)用。所以我們還需要開(kāi)辟一個(gè)存儲(chǔ)先前程序的區(qū)域。</p><p>　　4.3.3編程序控制器的存儲(chǔ)區(qū)設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)將存儲(chǔ)區(qū)分成若干個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，vb1000---vb1099作為各種暫存區(qū)，vb1100---vb1299作為公共再現(xiàn)區(qū)，其他每隔兩百的區(qū)域作為文件存儲(chǔ)區(qū)。具體存儲(chǔ)方式與區(qū)域設(shè)計(jì)如下圖5-2所示。</p><p>

90、　　4.4 硬件、軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試</p><p>　　4.4.1統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與組態(tài)</p><p>　　1)首先給各輸入、輸出變量分配地址。因?yàn)樘菪螆D中變量的地址與PLC的外部接線端子號(hào)是一致的,這一步為繪制硬件接線圖做好了準(zhǔn)備,也為梯形圖的設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。</p><p>　　2）了解PLC的外部硬件接線圖，以及其他電氣原理圖和接線圖。</p>&l

91、t;p>　　4.4.2 軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)的初始化程序、主程序、子程序等。首先根據(jù)總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定用戶程序的基本結(jié)構(gòu)，畫(huà)出程序流程圖。</p><p>　　用PLC的硬件來(lái)調(diào)試程序時(shí)，用接在輸入端的小開(kāi)關(guān)或按鈕來(lái)模擬PLC實(shí)際的輸入信號(hào)，例如用它們發(fā)出操作指令，或在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用它們來(lái)模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，例如用限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)。

92、通過(guò)輸出模塊上各輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　調(diào)試程序的主要任務(wù)是檢查程序是否符合規(guī)定，可以用程序狀態(tài)功能或狀態(tài)表來(lái)監(jiān)視程序的運(yùn)行。</p><p>　　4.4.3 硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　在對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試的同時(shí)，可以設(shè)計(jì)、制作控制屏，PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行，完成硬件的安裝

93、和接線后，應(yīng)對(duì)硬件的功能進(jìn)行檢查，觀察各輸入點(diǎn)的狀態(tài)變化是否送給PLC。在STOP模式用編程軟件將PLC的輸出點(diǎn)強(qiáng)制為ON或OFF，觀察對(duì)應(yīng)的PLC的負(fù)載（例如外部的電磁閥和接觸器）的動(dòng)作是否正常。</p><p>　　對(duì)于有模擬量輸入的系統(tǒng)，可以給模擬量輸入模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)模塊上的電位器或程序中的系數(shù)，使模擬量輸入信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字之間的關(guān)系滿足要求。</p><p>　

94、　完成上述的調(diào)試后，將PLC置于RUN狀態(tài)，運(yùn)行用戶程序，檢查控制系統(tǒng)是否滿足要求。在調(diào)試過(guò)程中將暴露出的系統(tǒng)中可能存在的硬件問(wèn)題，以及程序設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后在現(xiàn)場(chǎng)加以解決，直到完全符合要求。</p><p>　　4.4.4 機(jī)械手控制程序</p><p>　　機(jī)械手存儲(chǔ)數(shù)據(jù)過(guò)程:當(dāng)按下開(kāi)始示教按鈕M1.3時(shí),PLC內(nèi)部首先將VB1100的地址送入VD1046,VB1104的地址送到

95、VD1004內(nèi),建立指針,其中VD1100中存儲(chǔ)的是總共操作的步數(shù), VB1104以后存儲(chǔ)的是內(nèi)容和間歇時(shí)間。當(dāng)操作者按下開(kāi)始示教M1.3時(shí)，PLC開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，過(guò)程為：首先將第一個(gè)信號(hào)QB0送到暫存區(qū)VB1000當(dāng)中，當(dāng)操作者進(jìn)行第二步操作時(shí)，定時(shí)器將兩步操作的時(shí)間間隔送到VW1001（有信號(hào)輸入時(shí)先將定時(shí)器T38的值放到暫存區(qū)VW1030，然后在第二個(gè)信號(hào)來(lái)時(shí)，將T38的時(shí)間與VW1030的時(shí)進(jìn)行相減，然后將差值送到VW1001），

96、當(dāng)一個(gè)信號(hào)和一個(gè)時(shí)間差都存到相應(yīng)的位置時(shí)，然后將這三個(gè)數(shù)據(jù)打包利用BMB VB1000, *VD1004, 3指令將這三個(gè)數(shù)據(jù)放到相應(yīng)需要存儲(chǔ)的位置（從VB1104開(kāi)始儲(chǔ)存）。然后進(jìn)行指針偏移三個(gè)位置，進(jìn)行下一個(gè)信號(hào)的存儲(chǔ)。</p><p>　　機(jī)械手的再現(xiàn)過(guò)程：當(dāng)按下再現(xiàn)開(kāi)始按鈕M1.6時(shí)，先將VB1104的地址送到VD1054，重新建立指針，并且將步數(shù)VD1100的數(shù)值送到VD4中。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，將存儲(chǔ)

97、去的數(shù)據(jù)三個(gè)VB區(qū)的數(shù)據(jù)（一個(gè)操作指令和一個(gè)間歇時(shí)間的數(shù)據(jù)）用BMB指令進(jìn)行打包，VB1050、VB1051、VB1052三個(gè)暫存區(qū)當(dāng)中，然后將VB1050中的數(shù)值直接送給QB0，機(jī)械手就按信息進(jìn)行操作，然后將VW1051的值送給VW1060，當(dāng)VW1060有值時(shí)，定時(shí)器T39就開(kāi)始記時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)VW1060這個(gè)數(shù)時(shí)，PLC進(jìn)行發(fā)送第二個(gè)信號(hào)（此時(shí)地址已經(jīng)偏移到下一個(gè)需要輸出信息地址的位置），操作其中的信息。一直到操作結(jié)束，再現(xiàn)開(kāi)始按鈕M

98、1.6自動(dòng)復(fù)位，可進(jìn)行下一次操作。如下為程序圖設(shè)計(jì)：</p><p>　　圖：械手PLC控制程序圖總體構(gòu)成</p><p><b>　　第五章 結(jié)論</b></p><p>　　1、本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。</p><p>　　2、采用氣壓傳動(dòng)，

99、動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。</p><p>　　3、機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。</p><p>　　4、本課題

100、實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的再現(xiàn)過(guò)程,有利于教學(xué)研究和學(xué)生的課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　5、手的控制對(duì)于很多場(chǎng)合需求很大，不論是機(jī)床使用的小型系統(tǒng)還是流水線的這類設(shè)備，其基本動(dòng)作要求類似，所以控制的實(shí)驗(yàn)也可以相互借鑒。</p><p>　　6、控制程序的編寫(xiě)這里給出的只是一種實(shí)現(xiàn)手段，使用可編程控制器還有其他的方法可以實(shí)現(xiàn)這樣的控制真的所有的具體系統(tǒng)的情況，設(shè)計(jì)人員可以選用不同的方法來(lái)編寫(xiě)程序。&l