機(jī)械手自動(dòng)化控制

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1、 機(jī)械手發(fā)展經(jīng)歷及主要構(gòu)成 機(jī)械手是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。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人。1.1發(fā)展歷史機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的

2、“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人主要由類(lèi)似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動(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、原子能和制藥等行業(yè)。1.2構(gòu)成部分 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(lái)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(chēng)為機(jī)械手的

3、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(zhuān)用機(jī)械手有23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)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(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。1.3機(jī)械手分類(lèi)機(jī)械手的種類(lèi)，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(zhuān)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。1.4多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)

4、作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作。隨著生產(chǎn)的需要，對(duì)多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來(lái)越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場(chǎng)合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。1.5機(jī)械手發(fā)展大事記 1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。（電磁鐵工件抓放機(jī)構(gòu)） 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型

5、工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。2、基于S7-200的機(jī)械手PLC控制程序 S7-200 PLC(Program Logic Controler)是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的小型可編程控制器，具有良好的可擴(kuò)展性、價(jià)格低廉、指令功能強(qiáng)大, 十分適合在機(jī)械手控制系統(tǒng)中應(yīng)用。但一般在工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)械手機(jī)構(gòu)多為形狀簡(jiǎn)單的夾鉗式、托持式、吸附式等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)和抓握目標(biāo)物的原理決定了其有限的抓握功能。隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大和向智能化、擬人化方向

6、的發(fā)展, 其手部也有多指多關(guān)節(jié)的擬人化要求；另外在工傷、事故中斷手的殘疾人也需要功能價(jià)格比高的多關(guān)節(jié)機(jī)械手。為此我們研制出一套新的基于S7-200 PLC的多關(guān)節(jié)機(jī)械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)便、線(xiàn)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。由于PLC控制受環(huán)境的限制，在使用過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，影響系統(tǒng)的可靠性。因此必須采取各種抗干擾措施，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。3、西門(mén)子公司及S7-200主要參數(shù)功能介紹 西門(mén)子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI）是世界最大的機(jī)電類(lèi)公司之一，1847年由維爾納

7、83;馮·西門(mén)子建立。如今，它的國(guó)際總部位于德國(guó)慕尼黑。西門(mén)子股份公司是在法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所上市的公司。2005年，西門(mén)子全集團(tuán)在190個(gè)國(guó)家和地區(qū)雇用員工460,800人，全球收入為754.45億歐元（2004年為702.37億歐元），稅后利潤(rùn)較2004年的36.6億歐元降至24.2億歐元。 西門(mén)子是一家大型國(guó)際公司，其業(yè)務(wù)遍及全球190多個(gè)國(guó)家，在全世界擁有大約600家工廠、研發(fā)中心和銷(xiāo)售辦事處。公司的業(yè)務(wù)主要集中于6大領(lǐng)域：信息和通訊、自動(dòng)化和控制、電力、交通、醫(yī)療系統(tǒng)和照明。西門(mén)子的全球業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)分別由13個(gè)業(yè)務(wù)集團(tuán)負(fù)責(zé)，其中包括西門(mén)子財(cái)務(wù)服務(wù)有限公司和西門(mén)子房

8、地資產(chǎn)管理集團(tuán)。此外，西門(mén)子還擁有兩家合資企業(yè)博士西門(mén)子家用電器集團(tuán)和富士通計(jì)算機(jī)（控股）公司。 S7-200 是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。3.1適用范圍 S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)

9、械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 S7-200系列PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)的8種CPU可供選擇使用。3.2模擬電位器 CPU 221/222 1個(gè) CPU 224/224XP/226 2個(gè)3.3脈沖輸出 2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。3.4電池模塊用于長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)后備。用戶(hù)數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器）可通過(guò)內(nèi)部的超級(jí)電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存貯時(shí)間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲(chǔ)器模塊的卡槽中。3.5各型號(hào)的優(yōu)點(diǎn) CPU221 本機(jī)集成6輸入/4輸出共10個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。無(wú)I/O擴(kuò)展能力

10、。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 CPU222 本機(jī)集成8輸入/6輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接2個(gè)擴(kuò)展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。 CPU224 本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至

11、168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 CPU224XP本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有

12、PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 4、機(jī)械手設(shè)計(jì)要求及功能 圖3.1機(jī)械手模擬控制窗口如圖所示。圖中機(jī)械手可抓緊、放送工件，可上下、左右移動(dòng)，模擬界面的右側(cè)為按控制要求設(shè)計(jì)的操作臺(tái)。4.1控制要求機(jī)械手設(shè)有調(diào)整、連續(xù)、單周及步進(jìn)四種工作方式，工作時(shí)要首先選擇工作方式，然后操作對(duì)應(yīng)按鈕。4.2機(jī)械手運(yùn)行方式 4.2.1調(diào)整工作方式可按相應(yīng)按鈕實(shí)現(xiàn)左移、右移、上移、下移、加緊、放松各個(gè)動(dòng)作的單獨(dú)調(diào)整。

13、 4.2.2連續(xù)工作方式按下起動(dòng)按鈕，機(jī)械手按下降加緊上升右移下降放松上升左移的順序周而復(fù)始的連續(xù)工作；按下停止按鈕，機(jī)械手將自動(dòng)結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車(chē)。 4.2.3單周工作方式 按下起動(dòng)按鈕后，機(jī)械手按下降加緊上升右移下降放松上升左移的順序自動(dòng)工作一個(gè)周期停止。若要再工作一個(gè)周期，可再次按下起動(dòng)按鈕。按下停止按鈕，機(jī)械手將自動(dòng)結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車(chē)。 4.2.4步進(jìn)工作方式每按一次起動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車(chē)。4.3程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)由機(jī)械手的工作過(guò)程可知，這是一個(gè)典型的順序控制系統(tǒng)。

14、為此，可從機(jī)械手的連續(xù)工作方式入手編寫(xiě)程序。首先應(yīng)繪出連續(xù)工作時(shí)的功能表圖，然后直接列寫(xiě)邏輯表達(dá)式，用觸點(diǎn)線(xiàn)圈指令編程，也可使用置位復(fù)位指令或順序控制繼電器指令來(lái)完成。為了將每一步的工作狀態(tài)顯示出來(lái)，動(dòng)畫(huà)模擬軟件使用了內(nèi)部存儲(chǔ)器位M51、M52、M53、M54、M55、M56、M57、M40、M41來(lái)分別表示的運(yùn)行狀態(tài)。編程過(guò)程中，需要注意特別處理的問(wèn)題是、和、步的動(dòng)作問(wèn)題，雖然、步都是下降操作，但卻具有不同的意義，步下降是空鉤下降，而步下降則是夾著工件下降。、步的上升操作也是這樣。 單周期操作的程序?qū)崿F(xiàn)可在連續(xù)工作程序的基礎(chǔ)上通過(guò)經(jīng)驗(yàn)修改實(shí)現(xiàn)。其要點(diǎn)是是設(shè)法阻止機(jī)械手在一個(gè)周期工作結(jié)束后自動(dòng)

15、進(jìn)入下一周期，一般在下降的啟動(dòng)回路想辦法。 單步操作的實(shí)現(xiàn)與單周期工作的實(shí)現(xiàn)是相似的。即設(shè)法在每一步工作結(jié)束后，不是直接啟動(dòng)下一步的工作，而是等待啟動(dòng)按鈕的命令后再工作。4.4程序結(jié)構(gòu)框圖 圖3.4.15、結(jié)論該設(shè)計(jì)方式初步滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)證明能夠按照設(shè)定的工作方式穩(wěn)定運(yùn)行。以上是在同一個(gè)順序控制程序中完成的連續(xù)工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路，實(shí)際上也可以采用分段跳轉(zhuǎn)的辦法來(lái)完成這三種操作。這種方法編制的程序結(jié)構(gòu)清晰，但程序數(shù)量長(zhǎng)于前一種方法。機(jī)械手在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中擔(dān)當(dāng)著重要的角色，隨著我國(guó)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，我國(guó)制造行業(yè)所面臨的國(guó)際社會(huì)的巨大競(jìng)爭(zhēng)壓力和挑戰(zhàn)日益加劇。從節(jié)

16、約能源，保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效率、高智能的機(jī)械手是目前國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)。這樣看來(lái)，推廣中國(guó)的高效率、高智能機(jī)械手是非常有必要的。但是在日常使用過(guò)程中如何去維護(hù)好，其影響可見(jiàn)一斑。本文著重從機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀、工作原理、運(yùn)行系統(tǒng)等進(jìn)行了初略的探討和分析，希望能給正在或即將從事機(jī)械手工作的人士一些幫助。 參考資料 1 林偉. 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)及應(yīng)用M 高等教育出版社 2 陳遠(yuǎn)玲、黎亞元、富國(guó)強(qiáng) 機(jī)床電氣自動(dòng)控制M 重慶大學(xué)出版社 3 王承義 機(jī)械手及其應(yīng)用M 機(jī)械工業(yè)出版社 4 王建明 自動(dòng)線(xiàn)與工業(yè)機(jī)械手技術(shù)M 天津大學(xué)出版社 5 楊后川、高建設(shè) 西門(mén)子S7-200PLC應(yīng)用100例M 電子工業(yè)出版社 6 肖峰、賀哲榮 PLC編程100例M 中國(guó)電力出版社致謝多年的讀書(shū)生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開(kāi)始。多年的求學(xué)生涯在師長(zhǎng)、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿(mǎn)囊，在論文即將付梓之際，思緒萬(wàn)千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的指導(dǎo)老師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。授人以魚(yú)不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹(shù)立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)