機(jī)械手plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及組態(tài)模擬 程廣亮

1、摘要 隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大。在人類(lèi)社會(huì)中，凡是有人類(lèi)活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)械手的身影。機(jī)械手產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由海洋開(kāi)發(fā)和宇宙探測(cè)等高端科學(xué)領(lǐng)域向建筑、挖掘甚至是服務(wù)娛樂(lè)等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)械手正在涌現(xiàn)出來(lái)，以驚人的速度延伸到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械手是由于人類(lèi)生產(chǎn)水平的發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率的提高而出現(xiàn)的。論文的主要是基于小型PLC的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文中機(jī)械手涉及八個(gè)動(dòng)作過(guò)程，依次是下降、夾緊、上升、右移、下降、松開(kāi)、上升、左移。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，選用西門(mén)子S7-200型PLC,將通過(guò)V4.0STEP7 MicroWIN SP

2、6PLC編程軟件來(lái)對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，為了提高機(jī)械手的可操作性，還將加入機(jī)械手人機(jī)界面設(shè)計(jì)，通過(guò)觸摸屏來(lái)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行操作，人機(jī)界面能更加直觀方便的對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用SIMATIC WinCC flexible 2007人機(jī)界面軟件來(lái)對(duì)機(jī)械手人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用PLC編程控制器和人機(jī)界面一起對(duì)工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；組態(tài)模擬Abstract With the progress of human science and technology, the development of social economy, the field of

3、 application of mechanical hand is also expanding. In the human society, where there is a place for human activities, can see the figure of the robot hand. The application of manipulator has by the ocean exploitation and exploration of the universe and other high-end science to construction, mining

4、and entertainment services, and other civilian areas of development and all kinds of mechanical hand is emerging. With amazing speed extends to all areas of human activity. Manipulator is due to the development of human production level, product quality and productivity of the emergence of the incre

5、ase. The main is based on Small PLC manipulator movement control system design, the mechanical hand involves eight action process, followed by decline in clamping, rising, shifted to the right, down, loosen, up, left shift. In the program design, selection of Siemens S7-200 PLC, will by v4.0 step 7

6、microwin SP6PLC programming software and the working process of programming design, in order to improve the manipulator operation. Will also join the manipulator man-machine interface design, through the touch screen to the manipulator into operation, the man-machine interface can more intuitive and

7、 convenient of the manipulator motion process of control and real-time monitoring, the 2007 man-machine interface software to manipulator man-machine interface design using SIMATIC WinCC flexible, together to industrial machinery hand movement process control using PLC and man-machine interface.Key

8、words: manipulator; PLC; configuration simulation目錄第1章 緒論11.1研究背景及意義11.2研究現(xiàn)狀1第2章 相關(guān)概述32.1機(jī)械手32.2機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及機(jī)械手的種類(lèi)32.3機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)42.4 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介5第3章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.1機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)73.1.1機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1.2機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)83.1.4機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1.5機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)93.2機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)93.2.1 PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟93.2.2控制系統(tǒng)PLC選型103.2.3 P

9、LC控制器程序設(shè)計(jì)10第4章 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1組態(tài)軟件簡(jiǎn)介154.1.1組態(tài)軟件154.1.2組態(tài)王154.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)164.2.1監(jiān)控界面164.2.2監(jiān)控設(shè)計(jì)17第5章 結(jié)論與展望235.1機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題235.2展望23致謝26參考文獻(xiàn)27附錄28第1章 緒論1.1研究背景及意義機(jī)械手技術(shù)設(shè)計(jì)的學(xué)科相當(dāng)廣泛，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(lái)完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了生產(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，我國(guó)近幾年也有較

10、快的發(fā)展，并且取得一定的效果。但是歸結(jié)起來(lái)是機(jī)械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其他技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個(gè)方面驗(yàn)證一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視，機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，是提高生產(chǎn)率，對(duì)改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。PLC是以現(xiàn)代微處理器技術(shù)為核心的控制器，作為一種通用的工業(yè)控制器，其靠性高、抗干擾能力強(qiáng)：PLC由于采用現(xiàn)在大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，此外PL

11、C帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障是可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息：PLC采用光電隔離和濾波技術(shù)有效抑制外部干擾源對(duì)PLC的影響，此外PLC還可在強(qiáng)、通用性好；開(kāi)發(fā)周期短，功耗小。對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展具有很重要的意義。1.2研究現(xiàn)狀世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境都需要用機(jī)器人代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在汽車(chē)行業(yè)中還在不斷開(kāi)辟著新用途。機(jī)械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開(kāi)始向人工智能化轉(zhuǎn)變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手是從80年代七五科技攻

12、關(guān)開(kāi)始起步,在國(guó)家的支持下,通過(guò)七五,八五科技攻關(guān),目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆，孤焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線(xiàn)上。但總的看來(lái)，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定距離。如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品，機(jī)械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。影響我國(guó)機(jī)械手發(fā)展的關(guān)鍵平臺(tái)因素就是其軟件，硬件和機(jī)械結(jié)構(gòu)。目前工業(yè)機(jī)械手仍大量應(yīng)用在制造業(yè)，其中汽車(chē)工業(yè)占第一位（占28.9%），電器制造業(yè)第二位（占16.4%），化工第三位（

13、占11.7%）。發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)行業(yè)機(jī)械手應(yīng)用占總保有量百分比為23.4%53%，年產(chǎn)每萬(wàn)輛汽車(chē)所擁有的機(jī)械手?jǐn)?shù)為（包括整車(chē)和零部件）：日本88.0臺(tái)，德國(guó)64.0臺(tái)，法國(guó)32.2臺(tái)，英國(guó)26.9臺(tái)，美國(guó)33.8臺(tái)，意大利48.0臺(tái)。我國(guó)在高速發(fā)展的今天，機(jī)械手的數(shù)量與運(yùn)用成熟性決定了一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)能力。把機(jī)械手進(jìn)行簡(jiǎn)化成由各個(gè)剛性桿件構(gòu)成，從幾何學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)機(jī)械手各個(gè)桿件的位置和速度等關(guān)系進(jìn)行分析的過(guò)程叫做機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，首先要得出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在機(jī)械手中通常得到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法是用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型。在用理論運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行建

14、立的數(shù)學(xué)模型里，利用已經(jīng)給定的關(guān)節(jié)位置，可以直接計(jì)算出其對(duì)應(yīng)機(jī)械手的位置和姿態(tài)，并且得出的解也是唯一的。然而在機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)里，由于在解逆速度問(wèn)題經(jīng)常會(huì)涉及到雅可比矩陣，它在某些區(qū)域里面會(huì)有奇異的情況出現(xiàn)，常常會(huì)出現(xiàn)得不到唯一解甚至不存在閉式解的情況。對(duì)于有著多個(gè)輸入輸出，由多個(gè)關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成，關(guān)節(jié)與桿件之問(wèn)還存在著嚴(yán)重的非線(xiàn)性和錯(cuò)綜復(fù)雜的禍合關(guān)系的機(jī)械手操作臂這樣一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。目前，應(yīng)用牛頓一歐拉方法、拉格朗日方法、高斯法等系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對(duì)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，是非常適合且行之有效的。第2章 相關(guān)概述2.1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

15、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，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、輕工和原子能等部門(mén)。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問(wèn)題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)器人是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(jī)器各自的優(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，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)

16、程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。我國(guó)塑料機(jī)械已成為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國(guó)塑料機(jī)械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個(gè)大因素：一是對(duì)高技術(shù)含量裝備的需求所帶來(lái)的設(shè)備更新及陳舊設(shè)備的淘汰;二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速

17、發(fā)展，對(duì)塑料機(jī)械的需求旺盛。2.2機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及機(jī)械手的種類(lèi)盡管機(jī)械手在外觀形狀上千差萬(wàn)別，功能上也不盡相同，但單就機(jī)械手系統(tǒng)而言，各種機(jī)械手主要的構(gòu)成基本上是差不多的，都可以被分為以下幾個(gè)部分:用于最終執(zhí)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械手的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)以及人機(jī)接口。要讓機(jī)械手系統(tǒng)遵循人的意圖去進(jìn)行作業(yè)，使人與機(jī)械手之間能進(jìn)行信息交換，人機(jī)接口是關(guān)鍵。機(jī)械手的控制精度及機(jī)械手的可靠性由機(jī)械手的核心部械手控制系統(tǒng)來(lái)決定。機(jī)械手的控制系統(tǒng)形式通常可以被分為兩種，其中一種叫集中式控制；另一種是分布式控制。將所有的信息輸入、運(yùn)算處理乃至控制都集中于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的控制結(jié)構(gòu)稱(chēng)為集中式控

18、制結(jié)構(gòu)。很明顯，集中式控制的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)計(jì)算機(jī)的的性能要求也比較高。而如果采用分布式控制系統(tǒng)的話(huà)，就能降低機(jī)械手控制系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求，而且機(jī)械手系統(tǒng)的可擴(kuò)充性也會(huì)得到增強(qiáng)。對(duì)于分布式控制系統(tǒng)，當(dāng)其中一子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)所受到的影響比集中式控制系統(tǒng)要小很多。機(jī)械手按照驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的不同又可以被分為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手、電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手和液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手三種。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)存在驅(qū)動(dòng)方便，運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在沖擊力大，精度控制困難等缺點(diǎn);液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大，運(yùn)行平穩(wěn)，但不夠安全;而電氣驅(qū)動(dòng)具有性能好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)但是價(jià)格昂貴。2.3機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu) 機(jī)械手主要由機(jī)體、手臂、腕部

19、、手部等主要部分構(gòu)成。 機(jī)體采用圓形結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足強(qiáng)度和平衡性要求，通過(guò)在其聯(lián)接支撐板，承載整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和受力，是主要受力部件。為滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)中通過(guò)有限元分析的手段，對(duì)其進(jìn)行受力分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)由液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)壁、外壁的相互配合運(yùn)動(dòng)在滿(mǎn)足伸縮長(zhǎng)度技術(shù)要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)尺寸的最小化原則。 手臂的升降運(yùn)動(dòng)則通過(guò)絲杠、螺母間嚙合的相互運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為保證整機(jī)的效率，在合理設(shè)計(jì)螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加雙導(dǎo)向平衡裝置，力求運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，避免在運(yùn)動(dòng)中由于偏置力矩的存在，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不連續(xù)或卡死現(xiàn)象。腕部采用凸緣式結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，凸緣結(jié)構(gòu)

20、外伸，液壓驅(qū)動(dòng)在00-1800范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。 手部是動(dòng)作的執(zhí)行部分，通過(guò)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)完成工件的夾持功能。將兩個(gè)手指在手腕處，利用鉸鏈?zhǔn)戒N(xiāo)軸連接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，通過(guò)小臂的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手指繞其回轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸，實(shí)現(xiàn)開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)手指采用V型塊結(jié)構(gòu)，也可以采用引導(dǎo)式楔角結(jié)構(gòu)、圓弧外抱式結(jié)構(gòu)、直行防滑墊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)工件的形狀和夾持力的大小進(jìn)行更換，降低使用成本，增加其通用性。 整體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，各部分具體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 該機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成可移動(dòng)圓形底座式，這樣機(jī)械手可以是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可與其它行走裝置裝配使用，形成便攜式機(jī)械手?？紤]穩(wěn)定性和原動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)

21、的安裝，采用在圓形底座上，通過(guò)鉸制孔螺紋連接，半凸緣式空心座套，其上裝配圓形套蓋，在套板上安裝支撐板，形成穩(wěn)定的機(jī)身結(jié)構(gòu)。圖2.1 上下料機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖圖2.2 上下料機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)圖2.4 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介 自 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制了第一臺(tái) PLC，基于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)以分立元件及中小規(guī)模的集成電路為主，完成一些簡(jiǎn)單的功能。70 年代微處理器出現(xiàn)后引入到 PLC 技術(shù)使之增加了許多功能。為適應(yīng)廣大電氣工作人員的閱圖習(xí)慣，PLC中采用與繼電接觸器相似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言。其各組成運(yùn)算、處理的存儲(chǔ)單位均稱(chēng)為繼電器。 我國(guó)在70年代中期開(kāi)始引進(jìn)PLC技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在可以生產(chǎn)一些小中

22、型產(chǎn)品，如上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF 系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列等，均獲得了一定量的生產(chǎn)與應(yīng)用。在產(chǎn)品的發(fā)展上隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展會(huì)有更多成果應(yīng)用于 PLC 上，甚至部分學(xué)者認(rèn)為可能會(huì)被計(jì)算機(jī)所取代。根據(jù)這些年的發(fā)展上看可能會(huì)出現(xiàn)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言?？删幊炭刂破魇俏⑿陀?jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。以前所用的繼電接觸器控制系統(tǒng)，以繼電器簡(jiǎn)單、實(shí)用而廣泛使用，但因設(shè)備體積龐大、動(dòng)作慢、功能少,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，特別是在

23、工藝發(fā)生變化時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)、布線(xiàn)、裝配與調(diào)試。 軟件設(shè)計(jì)主要指以生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與 PLC 編程元件的對(duì)照表為依據(jù)，根據(jù)程序設(shè)計(jì)思想，繪出流程圖，然后以編程指令為基礎(chǔ)，畫(huà)出程序梯形圖，編寫(xiě)程序注釋。 在應(yīng)用 PLC 技術(shù)編程時(shí)注意以下幾點(diǎn)： 其一是認(rèn)真分析氣動(dòng)機(jī)械手控制要求，用功能流程圖的形式表示程序設(shè)計(jì)思想，為編程做準(zhǔn)備； 其二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與 PLC 外部電路接線(xiàn)、流程圖進(jìn)行程序編制； 其三是嚴(yán)格遵守梯形圖、指令語(yǔ)句表的格式規(guī)則、編寫(xiě)程序。第3章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)3.1.1機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手爪是用來(lái)進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類(lèi)很多，根據(jù)操作及作業(yè)

24、方式的不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測(cè)量用手爪等。機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的，在滿(mǎn)足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式手爪。連桿杠桿式手爪在活塞的推力作用下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊(放松)運(yùn)動(dòng)。由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，其通常與彈簧聯(lián)合使用。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示。圖3.1 機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖3.1.2機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪作空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要

25、的作業(yè)動(dòng)作。因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加，必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會(huì)相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定。 為保證工作時(shí)力的傳遞和運(yùn)動(dòng)的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開(kāi)關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)的具體要求，在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全

26、性和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿(mǎn)足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕(手臂、手爪連接梁)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2 手臂、手爪連接結(jié)構(gòu)3.1.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂在工作時(shí)要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，其工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足其工作空間要求。同時(shí)，為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量;為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、減小電機(jī)

27、負(fù)載，機(jī)械手手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡;還要盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸則要盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)械手的控制。 由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件重量、機(jī)械手動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動(dòng)剛度大、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。其通過(guò)液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件。液壓缸可實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。因控制和具體工作的要求，機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的直徑來(lái)提

28、高剛度，是不能滿(mǎn)足系統(tǒng)剛度要求的。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了2個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量提高其剛度;大臂增設(shè)了4個(gè)導(dǎo)桿，呈正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。增設(shè)導(dǎo)桿能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，較好地解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題。3.1.4機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度。同時(shí)在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差，還要考慮盡量消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命;盡量縮短傳

29、動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度;選用最佳傳動(dòng)比、適當(dāng)?shù)淖枘岜取?常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等。因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動(dòng)力單元，因此不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu).又提高了精度。其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)不能作為直接驅(qū)動(dòng)元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差，同時(shí)大大增大扭矩，以大幅降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好，這里只使用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。3.1.5機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)

30、機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，縮短啟動(dòng)時(shí)間。彈簧平衡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，應(yīng)用廣泛。本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問(wèn)題，通過(guò)合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿(mǎn)意，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。3.2機(jī)械手控制程序設(shè)計(jì)3.2.1 PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟 PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來(lái)體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時(shí)間將用在軟件設(shè)計(jì)，也就是程序設(shè)計(jì)上。由于PLC內(nèi)部繼電器數(shù)量大，其接點(diǎn)在內(nèi)存允許的情況下可重復(fù)使用，具有存儲(chǔ)數(shù)量大、執(zhí)行速度快等特點(diǎn)

31、，所以采用此設(shè)計(jì)方法可縮短設(shè)計(jì)周期。PLC程序設(shè)計(jì)可遵循以下六步進(jìn)行。 (1)確定被控系統(tǒng)必須完成的動(dòng)作及完成這些動(dòng)作的順序: (2)分配輸入輸出設(shè)備，即確定IS些外圍設(shè)備是傳送信號(hào)到PLC, 哪些信號(hào)是接收來(lái)自PLC信號(hào)的。并將PLC的輸入、輸出口與之對(duì)應(yīng)進(jìn)行分配; (3)設(shè)計(jì)PLC程序畫(huà)出梯形圖。梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系: (4)實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC的梯形圖直接編程; (5)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試(模擬和現(xiàn)場(chǎng)): (6)保存己經(jīng)完成的程序。在建立一個(gè)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入、輸出數(shù)量確定下來(lái)。然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相

32、互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，就可進(jìn)行編程的第二步分配輸入輸出設(shè)備，在分配了PLC的輸入輸出點(diǎn)、內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器之后，就可以設(shè)計(jì)PLC程序畫(huà)出梯形圖。之后便可以使用相應(yīng)PLC的編程工具寫(xiě)入PLC程序進(jìn)行調(diào)試，直到符合控制要求。這便是程序設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。3.2.2控制系統(tǒng)PLC選型 可編程控制器(PLC)按輸入輸出點(diǎn)數(shù)以及CPU功能分為大、中、小3種類(lèi)型，按其結(jié)構(gòu)又可分為整體式和模塊式PLC. PLC的種類(lèi)很多，日本OMRON公司生產(chǎn)的CPM1A是該公司推出的高性能整體式小型可編程控制器，該機(jī)種性能價(jià)格比高，適合小型系統(tǒng)的控制。 本研究項(xiàng)目中機(jī)械手的控制器選用的是CPMIA系列

33、中的CPM 1 A-4000R-A-VI型PLC。該型號(hào)PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為24入16出。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、通信模塊等可選模塊，可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能。3.2.3 PLC控制器程序設(shè)計(jì) 根據(jù)以上所述的PLC型號(hào)，綜合對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)功能的分析編寫(xiě)PLC控制程序。 1.控制系統(tǒng)功能分析 根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真方案，機(jī)械手的循環(huán)動(dòng)作依次為:下降-夾緊-上升-正轉(zhuǎn)-伸出-放松-縮回-反轉(zhuǎn)-下一循環(huán)。為了根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境確定機(jī)械手工作時(shí)磁性限位開(kāi)關(guān)的位置并調(diào)試機(jī)械手，對(duì)機(jī)械手的每一動(dòng)作設(shè)定一個(gè)手動(dòng)控制按鈕。同時(shí)，為了保證機(jī)械

34、手同時(shí)只能執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，需要在程序上設(shè)計(jì)互鎖功能。 為了控制機(jī)械手的啟停，需要設(shè)置對(duì)應(yīng)按鈕，但是為了節(jié)約PLC控制器的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，可以將啟動(dòng)按鈕和停止按鈕合并，實(shí)現(xiàn)單按鈕啟?？刂?。同時(shí)，為了區(qū)分機(jī)械手是處在手動(dòng)調(diào)試還是連續(xù)運(yùn)行工作模式，需要設(shè)置一個(gè)連續(xù)運(yùn)行按鈕。當(dāng)處在連續(xù)運(yùn)行模式時(shí)，機(jī)械手進(jìn)行正常工作的循環(huán)動(dòng)作:當(dāng)處在手動(dòng)調(diào)試模式時(shí)，如上文所述，可以通過(guò)各個(gè)動(dòng)作的按鈕對(duì)機(jī)械手各個(gè)自由度進(jìn)行手動(dòng)控制，而且可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整限位開(kāi)關(guān)位置來(lái)調(diào)試機(jī)械手。并且，為了區(qū)分機(jī)械手是正常退出工作還是因?yàn)榘l(fā)生故障急停，應(yīng)該進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)中將退出連續(xù)運(yùn)行模式(按一下“連續(xù)運(yùn)行按鈕”)設(shè)定為正常停止工作

35、，而將退出啟動(dòng)方式(按一下“啟動(dòng)停止按鈕”)視為急停。二者的區(qū)別在于:正常停止工作時(shí)，機(jī)械手將繼續(xù)運(yùn)行至所在順序動(dòng)作周期結(jié)束之后再停止，其停止時(shí)機(jī)械手將處在預(yù)先設(shè)定的初始位置;急停時(shí)，機(jī)械手將馬上停止工作，其停止時(shí)機(jī)械手保持在當(dāng)前位置，而且在再次啟動(dòng)時(shí)不會(huì)繼續(xù)剛才的工作。 為了保證機(jī)械手的正常順序工作循環(huán)，機(jī)械手在每一個(gè)工作周期初始時(shí)都要檢驗(yàn)是否處在預(yù)先設(shè)定的初始位置(設(shè)定為:機(jī)械手處在上升限位、反轉(zhuǎn)限位、縮回限位和放松狀態(tài))，若否，則需要首先回到初始位置，即“回原點(diǎn)”?；卦c(diǎn)有兩種方案:自動(dòng)回原點(diǎn)和手動(dòng)回原點(diǎn)。由于自動(dòng)回原點(diǎn)需要檢測(cè)機(jī)械手當(dāng)前位置，造成硬件復(fù)雜化，而且當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)超出允許的范

36、圍時(shí)將不能正確動(dòng)作，所以采用手動(dòng)回原點(diǎn)。手動(dòng)回原點(diǎn)可以利用手動(dòng)調(diào)試階段的各個(gè)動(dòng)作的控制按鈕對(duì)氣缸進(jìn)行手動(dòng)控制，而且在到達(dá)原點(diǎn)限位時(shí)需要停止并保持當(dāng)前位置。另外，需要一個(gè)PLC輸出點(diǎn)作為“回原點(diǎn)”指示。 根據(jù)以上分析及所使用PLC的型號(hào)，可以對(duì)PLC的輸入輸出觸點(diǎn)進(jìn)行I/O分配，并繪制出控制系統(tǒng)流程圖。I/O分配結(jié)果如表3.1所示。表3.1機(jī)械手控制器I/O分配表 2. PLC梯形圖程序設(shè)計(jì) 根據(jù)I/O分配表以及控制系統(tǒng)流程圖，結(jié)合所使用的PLC具體型號(hào)，可以設(shè)計(jì)出適合該控制器的控制系統(tǒng)程序。本研究項(xiàng)目中為求控制程序可讀性好.采用梯形圖設(shè)計(jì)方法，所涉及的指令有定時(shí)器TIM指令、保持指令KEEP、

37、上微分指令DIF、跳轉(zhuǎn)指令JMP和跳轉(zhuǎn)結(jié)束指令JME等一系列PLC編程當(dāng)中常見(jiàn)的指令。 根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)的PLC程序的部分程序段如下文所述。 圖3-3所示為操作按鈕輸入信號(hào)的微分處理程序，編寫(xiě)該程序是因?yàn)?第一由于實(shí)際按鈕的性能各不相同，而且操作者的實(shí)際操作習(xí)慣不一，按一次按鈕持續(xù)的時(shí)間未知，這樣可能造成PLC響應(yīng)按鈕輸入時(shí)出現(xiàn)各種未知的狀況，這對(duì)于PLC控制而言是非常不利的，所以需要使用微分語(yǔ)句DIFU對(duì)按鈕動(dòng)作響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整:第二，將所有的輸入按鈕并列集中在程序中的一段可以方便在控制系統(tǒng)外部接線(xiàn)，省去到程序中到處找各個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)的端口，同時(shí)程序的可讀性也較好。圖3.3 操作按鈕輸入微分程序

38、段 同理，為方便控制器外部接線(xiàn)及提高程序可讀性，將各限位開(kāi)關(guān)輸入及動(dòng)作線(xiàn)圈輸出集中在程序中的一段，如圖3.4至3.5所示 圖3.4 限位開(kāi)關(guān)輸入程序段圖3.5動(dòng)作線(xiàn)圈愉出程序段 在動(dòng)作線(xiàn)圈輸出程序中，通過(guò)PLC內(nèi)部輔助寄存器實(shí)現(xiàn)了氣缸動(dòng)作的互鎖，即正轉(zhuǎn)動(dòng)作和反轉(zhuǎn)動(dòng)作互鎖、上升動(dòng)作和下降動(dòng)作互鎖、伸出動(dòng)作和縮回動(dòng)作互鎖、夾緊動(dòng)作和放松動(dòng)作互鎖。 當(dāng)系統(tǒng)處于啟動(dòng)方式時(shí)沖壓機(jī)械手可以進(jìn)行正常工作，當(dāng)系統(tǒng)處于停止方式時(shí)系統(tǒng)停機(jī)(即進(jìn)入“停止工作步”)，除按“啟動(dòng)/停止按鈕”啟動(dòng)系統(tǒng)之外系統(tǒng)不能響應(yīng)其他操作。 和啟動(dòng)停止方式切換程序一樣，系統(tǒng)的工作方式切換(即“手動(dòng)調(diào)試”方式和“連續(xù)運(yùn)行”方式的切換)也

39、是通過(guò)單按鈕啟保停程序?qū)崿F(xiàn)的?！笆謩?dòng)調(diào)試”方式中，可以通過(guò)操作按鈕對(duì)機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行手動(dòng)控制，并對(duì)氣缸上安裝的磁性限位開(kāi)關(guān)的位置進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的生產(chǎn)狀況。為保證手動(dòng)調(diào)整的精確性，要求對(duì)各個(gè)動(dòng)作線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制，即按一下操作按鈕，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作氣缸運(yùn)行一段較小的時(shí)間段然后停止，這個(gè)時(shí)間段可以通過(guò)編程軟件設(shè)置參數(shù)來(lái)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，可以設(shè)此時(shí)間段參數(shù)為“手動(dòng)調(diào)試脈沖時(shí)間”，由于機(jī)械手開(kāi)合氣缸的行程較小，需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)參數(shù)為“開(kāi)合調(diào)試脈沖時(shí)間”。 具體的手動(dòng)調(diào)試程序段如圖3.5所示。圖3.5手動(dòng)調(diào)試控制程序段 在“連續(xù)運(yùn)行”方式下，機(jī)械手按照流程圖所示進(jìn)行順序動(dòng)作循環(huán)，為了保證機(jī)械手的動(dòng)作到位，

40、必須在每一個(gè)順序動(dòng)作循環(huán)開(kāi)始之前檢查機(jī)誡手是否處于預(yù)先設(shè)定的原點(diǎn)(初始位置)。若系統(tǒng)在動(dòng)作循環(huán)開(kāi)始之前沒(méi)有處在原點(diǎn)，則進(jìn)入“手動(dòng)回原點(diǎn)步”。此時(shí)可以通過(guò)各個(gè)操作按鈕控制各氣缸對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)該氣缸初始位置時(shí)對(duì)木氣缸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)操作按鈕輸入進(jìn)行屏蔽.使氣缸活塞其保持在原點(diǎn)位界.具體的程序?qū)崿F(xiàn)如圖3.6所示。 當(dāng)系統(tǒng)處于“連續(xù)工作”方式時(shí)，若系統(tǒng)到達(dá)原點(diǎn)，則自動(dòng)進(jìn)入預(yù)定的順序動(dòng)作循環(huán)，順序動(dòng)作循環(huán)程序如圖3.7所示。圖3.6手動(dòng)回原點(diǎn)程序段圖3.7循環(huán)動(dòng)作程序段 由于手爪氣缸的行程小.不便于安裝限位開(kāi)關(guān)，并且本機(jī)械手的手爪開(kāi)合精度要求較低，所以考慮用PLC內(nèi)部輔助寄存器對(duì)開(kāi)合限位進(jìn)行模擬。具體模擬

41、方案如下: (1)夾緊限位 當(dāng)夾緊線(xiàn)圈置位時(shí)，一個(gè)定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)夾緊線(xiàn)圈保持。經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間段(編程軟件設(shè)置為參數(shù)“夾緊運(yùn)行時(shí)間”)后，定時(shí)器置位使夾緊限位置位且保持，直到放松線(xiàn)圈置位后夾緊限位才復(fù)位。(2)放松限位 當(dāng)放松線(xiàn)圈置位時(shí)，一個(gè)定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)放松線(xiàn)圈保持置位.經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間段(編程軟件設(shè)置為參數(shù)“放松運(yùn)行時(shí)間”)后，定時(shí)器置位使放松限位置位且保持，直到夾緊線(xiàn)圈置位后才放松限位復(fù)位。第4章 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1組態(tài)軟件簡(jiǎn)介4.1.1組態(tài)軟件組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放

42、性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問(wèn)題：畫(huà)面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)

43、鏈接功能。（1）使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本方法：1)圖形界面的設(shè)計(jì)。2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)。3)建立動(dòng)畫(huà)連接。4)運(yùn)行和調(diào)試。（2）使用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 1)實(shí)驗(yàn)全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn),從而大大減少購(gòu)置儀器的經(jīng)費(fèi)。2)該系統(tǒng)是中文界面,具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶(hù)而言,操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單,參數(shù)輸入與修改靈活,具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力可以實(shí)時(shí)地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線(xiàn),能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn),這些很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮理想的效果。（3）在采用組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編制應(yīng)用程

44、序過(guò)程中要考慮以下三個(gè)方面: 1)圖形,是怎樣用抽象的圖形畫(huà)面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。2)數(shù)據(jù),就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù),并用此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性,比如水位、流量等。3)連接,就是畫(huà)面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。4.1.2組態(tài)王 （1)功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定且易于使用組態(tài)王6.53保持了組態(tài)王早期版本運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便的特點(diǎn)。并根據(jù)國(guó)內(nèi)眾多用戶(hù)的反饋及意見(jiàn)，對(duì)一些功能進(jìn)行了完善和擴(kuò)充。該款產(chǎn)品的歷史曲線(xiàn)、溫控曲線(xiàn)以及配方功能進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。 （2）組態(tài)王6.53的主要功能特性

45、。1）可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進(jìn)色、豐富的圖庫(kù)、動(dòng)畫(huà)連接。2）無(wú)與倫比的動(dòng)力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動(dòng)畫(huà)功能可以對(duì)畫(huà)面中的一部分進(jìn)行保存，以便以后進(jìn)行分析或打印。3）變量導(dǎo)入導(dǎo)出功能，變量可以導(dǎo)出到Excel表格中，方便的對(duì)變量名稱(chēng)等屬性進(jìn)行修改，然后再導(dǎo)入新工程中，實(shí)現(xiàn)了變量的二次利用，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。4）強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存。5）強(qiáng)大的腳本語(yǔ)言處理，能夠幫助你實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和與決策處理。6）全新的Web Server架構(gòu)，全面支持畫(huà)面發(fā)布、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的發(fā)布。7）方便的配方處理功能。8）豐富的設(shè)備支持庫(kù)

46、，支持常見(jiàn)的PLC設(shè)備、智能儀表、智能模塊。9）提供硬加密及軟授權(quán)兩種授權(quán)方式。4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1監(jiān)控界面監(jiān)控系統(tǒng)的畫(huà)面如圖4.1所示。圖4.1 機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)主界面4.2.2監(jiān)控設(shè)計(jì)（1） 建立新工程。在亞控中建立新工程時(shí)，首先通過(guò)亞控的“工程管理器”指定工程的名稱(chēng)和工作路徑，不同的工程一定要放在不同的路徑下。指定工程的名稱(chēng)和路徑，啟動(dòng)亞控的“工程管理器”(圖4.2）圖4.2 力控工程管理器界面 單擊菜單欄“文件/新建工程”命令或工具條“新建”按鈕或快捷菜單“新建工程”命令后，彈出“新建工程向?qū)б弧睂?duì)話(huà)框，如圖4.3所示。圖4.3新建工程向?qū)б?單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程

47、向?qū)Ф睂?duì)話(huà)框，如圖4.4所示。圖4.4 新建工程向?qū)г趯?duì)話(huà)框的文本框中輸入新建工程的路徑，如果輸入的路徑不存在，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示用戶(hù)。也可以單擊“瀏覽”按鈕，在彈出的路徑選擇對(duì)話(huà)框中選擇工程路徑，也可以在彈出路徑選擇對(duì)話(huà)框中直接輸入路徑。單擊“下一步”按鈕，進(jìn)入“新建工程向?qū)睂?duì)話(huà)框，如圖4.5所示。圖4.5新建工程向?qū)凇肮こ堂Q(chēng)”文本框中輸入新建工程的名字，在“工程描述”中輸入對(duì)新建工程的描述文本。單擊“完成”按鈕，確認(rèn)新建的工程。創(chuàng)建組態(tài)界面進(jìn)入亞控的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)后，可以為每個(gè)工程建立無(wú)限數(shù)目的畫(huà)面，在每個(gè)畫(huà)面上可以組態(tài)相互關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形。這些畫(huà)面是由亞控開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的豐富的圖形對(duì)

48、象組成的。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供了文本、直線(xiàn)、矩形、圓角矩形、圓形、多邊形等基本圖形對(duì)象，同時(shí)還提供了增強(qiáng)型按鈕、實(shí)時(shí)歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)歷史報(bào)警、實(shí)時(shí)歷史報(bào)表等組件。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)還提供了在工程窗口中復(fù)制、刪除、對(duì)齊、打成組等編輯操作，提供對(duì)圖形對(duì)象的顏色、線(xiàn)型、填充屬性等操作工具。 亞控開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的上述多種工具和圖形，方便用戶(hù)在組態(tài)工程時(shí)建立豐富的圖形界面。單擊左側(cè)目錄中的“畫(huà)面”，在右側(cè)單擊“新建”，彈出“新建畫(huà)面”對(duì)話(huà)框，如圖4.6所示。圖4.6新畫(huà)面在“新畫(huà)面”對(duì)話(huà)框中，可以給畫(huà)面命名，在注釋中，可以選擇畫(huà)面位置及其畫(huà)面風(fēng)格。3定義I/O設(shè)備在亞控中，把需要與亞控組態(tài)軟件之間交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或者程序都

49、作為IO設(shè)備，IO設(shè)備包括：DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等，這些設(shè)備一般通過(guò)串口和以太網(wǎng)等方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù);只有在定義了IO設(shè)備后，亞控才能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)變量和這些IO設(shè)備。選擇“設(shè)備”，單擊“新建”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А保瑘D4.7所示。 圖4.7 設(shè)備配置向?qū)б来螁螕簟跋乱徊健保瓿伞斑壿嬅Q(chēng)”、“選擇串口號(hào)”、“設(shè)備地址設(shè)置指南”和“通信參數(shù)”對(duì)話(huà)框的填寫(xiě)，單擊“完成”即可。4.在數(shù)據(jù)詞典中創(chuàng)建用戶(hù)定義的變量在工程瀏覽器中左邊的目錄樹(shù)中點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典”圖標(biāo)，右側(cè)的內(nèi)容顯示區(qū)會(huì)顯示當(dāng)前工程中定義的變量。雙擊內(nèi)容顯示區(qū)下面的“新建”圖標(biāo)，彈出“定義變量”屬性

50、對(duì)話(huà)框，如圖4.8所示。圖4.8定義變量組態(tài)王的變量屬性由基本屬性、報(bào)警定義、記錄個(gè)安全區(qū)三個(gè)屬性頁(yè)組成?？梢杂檬髽?biāo)單擊選項(xiàng)卡頂部的屬性標(biāo)簽，選中某一選項(xiàng)，定義相應(yīng)的屬性。單擊“確定”按鈕，若定義的變量有效，將新建的變量名保存到數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)詞典中。若變量名不合法，會(huì)彈出提示對(duì)話(huà)框提醒工程人員改變變量名。制作動(dòng)畫(huà)連接在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，通過(guò)制作動(dòng)畫(huà)連接使圖形在畫(huà)面上隨“機(jī)械手”P(pán)LC數(shù)據(jù)的變化而活動(dòng)起來(lái)。動(dòng)畫(huà)連接是將畫(huà)面中的圖形對(duì)象與變量之間建立某種關(guān)系，當(dāng)變量的值發(fā)生變化時(shí)，在畫(huà)面上圖形對(duì)象的動(dòng)畫(huà)效果動(dòng)態(tài)變化方式體現(xiàn)出來(lái)。有了變量之后就可以制作動(dòng)畫(huà)連接了。一旦創(chuàng)建了一個(gè)圖形對(duì)象，給它加上動(dòng)畫(huà)連接就相

51、當(dāng)于賦予它“生命”，使它動(dòng)起來(lái)。動(dòng)畫(huà)連接使對(duì)象按照變量的值改變其大小、顏色、位置等。雙擊機(jī)械手模型中的移動(dòng)桿，出現(xiàn)動(dòng)畫(huà)連接對(duì)話(huà)框，如圖4.9所示。圖4.9動(dòng)畫(huà)連接在屬性變化中，選擇并單擊“水平移動(dòng)”，彈出“水平移動(dòng)連接”對(duì)話(huà)框，如圖4.10所示。圖4.10水平移動(dòng)連接雙擊機(jī)械手模型中的手，出現(xiàn)動(dòng)畫(huà)連接對(duì)話(huà)框，如圖4.10所示，在特殊中，選擇并單擊“隱含”選項(xiàng)，出現(xiàn)“隱含連接”對(duì)話(huà)框，如圖4.11所示。圖4.11隱含連接依據(jù)上面的步驟，就可以輕松的完成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然后通過(guò)串口通信，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 第5章 結(jié)論與展望5.1機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 （1）應(yīng)具有足夠的握力(夾

52、緊力)。在確定手指的握力時(shí),除考慮工件重量外,還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng),以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （2）手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角。兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的 閉角。手指的閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫。若夾持不同直徑的工件,應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有 閉幅度的要求。 （3）應(yīng)保證工件準(zhǔn)確定位。為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置,必須根據(jù)被抓取工件的形狀,選擇相應(yīng)形狀的手指。例如圓柱形工件釆用帶“V”形面的手指,以便自動(dòng)定心。 （4）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性

53、力和振動(dòng)的影響,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形,但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,自重輕,并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上,使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 （5）應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求。1)抓取形狀手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計(jì)。如工件為圓柱形,則采用V形手指,圓球狀工件用圓弧形三指手指,方料用平面形手指,細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來(lái)選定手指形狀。2)抓取部位的尺寸盡可能是不變的,若加工后尺寸有變化,手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求,否則不允許定為抓取部位。對(duì)于工件表面質(zhì)量要求高的,抓取時(shí)盡量避開(kāi)高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)塾片(如橡皮、泡沫塑料、石棉襯墊等)以防夾持時(shí)損壞工件。3

54、)抓取數(shù)量若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件,為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫落現(xiàn)象,在手指上可增加彈性襯熱,如橡皮、泡沫塑料等,對(duì)于較長(zhǎng)工件可采用雙指或多指抓取。 （6）應(yīng)考慮手指的多用性。手指是專(zhuān)用性較強(qiáng)的部件,為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求,可制成組合式的手指。對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝維修方便,更換方便。5.2展望機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中的運(yùn)用已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì) ，同時(shí)這種運(yùn)用將得到前所未有的發(fā)揮，機(jī)械手能夠成功的運(yùn)用于機(jī)械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運(yùn) ，尤其體現(xiàn)于組合機(jī)床以及自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用和創(chuàng)新。將機(jī)械手與機(jī)床設(shè)備合為一個(gè)柔性體，在很大程度上能夠節(jié)省工件輸送裝置，架構(gòu)比

55、較緊湊，同時(shí)適應(yīng)能力較強(qiáng) ，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行考慮都是有必要的 ，所以，對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)是一種必然。(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)