基于PLC的搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述題 目工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化200 級(jí) 班 學(xué) 號(hào)院 （系）電氣信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師完成時(shí)間2011年 06月 05日工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用1 機(jī)械手概述用于再現(xiàn)人手功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜

2、合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的工具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家

3、的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。2 機(jī)械手的發(fā)展史現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)

4、50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化 。機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(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)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng) 。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton ）, 專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美

5、國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran 機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(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)。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-Vic-arm 型工業(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)，定位誤差可小于±1毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate 公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠

6、性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(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)。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。瑞士RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的

7、研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有

8、感覺機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。3 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化

9、已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)?/p>

10、現(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動(dòng)線一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。3.2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很

11、多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t 以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t

12、 沖床的下料機(jī)械手等。4 機(jī)械手控制方法機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)要圍繞著如何更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制功能而設(shè)計(jì)和選擇。以控制器的核心計(jì)算機(jī)的分布方式來看，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)大體可分為集中控制、主從控制、分級(jí)控制等三類。在核心控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC ）。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制卡和邏輯控制器等新型控制硬件。單片機(jī)控制機(jī)械手能夠完成簡(jiǎn)單的邏輯控制或模擬量控制，可按需要自行配置通信功能，軟硬件開發(fā)工作量很多，輸出帶負(fù)載能力和抗干擾能力差，可靠性差，環(huán)境 適應(yīng)能力差，成本較為低廉。 PLC 控制

13、機(jī)械手可按使用要求選購相應(yīng)的產(chǎn)品完成復(fù)雜的邏輯控制， 邏輯控制為 主，也可以組成模擬量控制系統(tǒng)，軟硬件開發(fā)工作量較少，輸出帶負(fù)載能力和抗干擾 能力強(qiáng)，可靠性好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，成本較為高。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具備完善的控制功能，軟件豐富，執(zhí)行速度快，軟件開發(fā)工作量 較多，硬件開發(fā)工作量較少，執(zhí)行速度較慢，環(huán)境適應(yīng)力一半，可靠性好，成本較為 高。 參考文獻(xiàn) 1 蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,76(4:11-16. 2 張波.多功能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng)J.液壓與氣動(dòng),2002,8(2:31-32. 3 李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

14、4 張建民.工業(yè)機(jī)械人M.北京:北京理工大學(xué)出版社,1992 5 史國(guó)生.PLC 在機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用J.中國(guó)工控信息網(wǎng),2005.1 6 王永華.現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009. 7 朱春波.PLC 控制的氣動(dòng)上下料機(jī)械手J.液壓氣動(dòng)與密封,1999,21-24. 8 王勤.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M南京:東南大學(xué)出版社,2003. 9 張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例(西門子 S7-200 系列M.北京:中國(guó)電力出 版社,2005. 10 劉軒,王麗偉.機(jī)械手的 PLC 控制J.機(jī)床電器,2006,34-49. 11 張鐵異,何國(guó)金,黃振峰.基于 PLC 控制的混合型氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.液 壓與氣動(dòng),2008,18(9:68. 12 郭艷萍.基于 PLC 的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器,2007,9(9:31-32. 13 ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometryJ. The18thInt.Symposium on in dustrial robots( ISIR,Sydney,Australia,1988,91-100. 14 John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and ControlJ,Seco