畢業(yè)設計（論文）-簡易機械手的設計

1、摘 要 本文簡要地介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國內外的開展狀況。 本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，分別設計了機械手的夾持式手部結構以及吸附式手部結構;設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩;設計了機械手的手臂結構，設計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉用液壓緩沖器。 設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編 程序控制器對機械手進行控制，選取了適宜的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程

2、序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關鍵詞：工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器(PLC)AbstractAt first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly.Whats more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.The paper int

3、roduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the ma

4、nipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexes,ascend,descend and wheels .The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair.Th

5、e manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.Whats more,the paper work out the control program of the PLC.Keywords： industrial robot, manipulator,

6、 pump, PLC目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc421899145 HYPERLINK l _Toc421899146 前 言 PAGEREF _Toc421899146 h 1 HYPERLINK l _Toc421899147 1.緒論 PAGEREF _Toc421899147 h 2 HYPERLINK l _Toc421899148 機械手的概述 PAGEREF _Toc421899148 h 2 HYPERLINK l _Toc421899149 機械手的設計目的 PAGEREF _Toc421899149 h 4 HYPERLINK l

7、 _Toc421899150 機械手的設計內容 PAGEREF _Toc421899150 h 5 HYPERLINK l _Toc421899158 1.4 PLC概況及在機械手中的應用 PAGEREF _Toc421899158 h 5 HYPERLINK l _Toc421899163 機械手的應用意義 PAGEREF _Toc421899163 h 7 HYPERLINK l _Toc421899164 機械手的技術開展方向 PAGEREF _Toc421899164 h 8 HYPERLINK l _Toc421899165 2.搬運機械手總體設計方案 PAGEREF _Toc421

8、899165 h 9 HYPERLINK l _Toc421899166 操作要求 PAGEREF _Toc421899166 h 9 HYPERLINK l _Toc421899167 操作功能 PAGEREF _Toc421899167 h 9 HYPERLINK l _Toc421899168 3.PLC及機械手的選擇和論證 PAGEREF _Toc421899168 h 11 HYPERLINK l _Toc421899169 可編程控制器PLC PAGEREF _Toc421899169 h 11 HYPERLINK l _Toc421899173 PLC的選型 PAGEREF _T

9、oc421899173 h 14 HYPERLINK l _Toc421899179 機械手 PAGEREF _Toc421899179 h 16 HYPERLINK l _Toc421899182 4.硬件電路設計及描述 PAGEREF _Toc421899182 h 18 HYPERLINK l _Toc421899183 4.1 操作方式 PAGEREF _Toc421899183 h 18 HYPERLINK l _Toc421899184 輸入和輸出點分配表及I/O分配接線 PAGEREF _Toc421899184 h 18 HYPERLINK l _Toc421899185 5.

10、軟件電路設計及描述 PAGEREF _Toc421899185 h 20 HYPERLINK l _Toc421899186 機械手的操作系統(tǒng)程序 PAGEREF _Toc421899186 h 20 HYPERLINK l _Toc421899187 5.2 回原位程序 PAGEREF _Toc421899187 h 20 HYPERLINK l _Toc421899188 手動單步操作程序 PAGEREF _Toc421899188 h 21 HYPERLINK l _Toc421899189 自動操作程序 PAGEREF _Toc421899189 h 22 HYPERLINK l _T

11、oc421899190 機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖 PAGEREF _Toc421899190 h 23 HYPERLINK l _Toc421899191 結 論 PAGEREF _Toc421899191 h 25 HYPERLINK l _Toc421899192 致 謝 PAGEREF _Toc421899192 h 26 HYPERLINK l _Toc421899193 參考文獻 PAGEREF _Toc421899193 h 27 HYPERLINK l _Toc421899194 附 錄 PAGEREF _Toc421899194 h 28前 言 大學四年的本科學習即將結束，畢業(yè)設計

12、也是其中最后一個環(huán)節(jié)，他是對以前所學的知識及所掌握的技能的綜合運用，也是對我們大學四年的收獲檢驗。 隨著我國經(jīng)濟的迅速開展，采用PLC的技術得到愈來愈廣泛的應用?？删幊绦蚩刂破?，簡稱PLC，是在繼電順序控制根底上開展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術和計算機技術的迅猛開展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡化方面取得了很好的開展。 機械手采用PLC控制，具有可靠性高，改變程序靈活等優(yōu)點。無論進行時間控制還是控制或混合控制，都可以通過設置PLC的程序實現(xiàn)。可以根據(jù)機械手的動作順序改變程序，是機械手通用性更好 。 機械手，也被

13、稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身平安，廣泛應用于機械制造冶金部門。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大局部組成。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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動擺動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度

14、是機械手設計的關鍵參數(shù)越多、自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。1.緒論可編程序控制器(PLC)已在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了廣泛應用。它是以微處理器為核心,綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術開展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結構簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用簡單等一系列有點；氣動技術也是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段，并已廣泛應用于各個部門，在機械產(chǎn)品自動化、工業(yè)自動化及企業(yè)技術改造方面占有重要的地位。氣壓傳動的介質來自于空氣，環(huán)境污染小，工程已于實現(xiàn)。機械手在工

15、業(yè)自動化生產(chǎn)得到了很好的利用，它可以減少人的充分操作，并且它還可以完成人無法完成的操作，從而大大地提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率。機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。其中的工業(yè)機械手是近代控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，它的開展是由于其積極作用正日益為人們所認識:它能局部地代替人工操作；能按照生產(chǎn)工藝的要求，能遵循一定的程序、時間、位置能完成工件的傳送和裝卸；能制作必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的工作條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。 機械手的概述機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大局部組成。手部是用來抓持工件或工具的部件，根據(jù)被

16、抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結 構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動擺動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的 升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有23個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反應的信息，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或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實

17、現(xiàn)所要功能。機械手通常常機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(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物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步開展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中開展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用

18、，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速開展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的開展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步開展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成局部。工業(yè)機

19、械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的開展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。專用機械手經(jīng)過幾十年的開展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和開展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內 容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等根底知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項 綜合性較強的新技術。目前國內外對開展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的

20、研究和開展一直比較活潑，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域 也在不斷地擴大。 早在40年代，隨著原子能工業(yè)的開展，已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的開展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、效勞業(yè)、軍事領域上有

21、較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速開展，機械手技術也得到飛速的多元化開展?？傊?，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改良的方向主要是將低本錢和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(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，把接收到的信息反應，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步開展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufa

22、cturing Cell)中重要一環(huán)。 機械手的設計目的工業(yè)機械手設計是機械制造、機械設計和機械電子工程等專業(yè)的一個重要教學環(huán)節(jié)，是學完技術根底課及有關專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內容得綜合設計。通過設計提高學生的機械分析與綜合能力、機械結構設計的能力、機電液一體化系統(tǒng)設計的能力，掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設計方法。通過這一環(huán)節(jié)要求到達：1通過設計，把握有關課程機構分析與綜合、機械原理、機械設計、液壓與氣壓傳動技術、自動控制理論、測試技術、數(shù)控技術、微型計算機原理及應用、自動化機械設計等中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用，是這些知識得到穩(wěn)固和開展，并使理論知識和生產(chǎn)密切的結合起來。因此，工業(yè)機

23、械手的設計是有關專業(yè)根底課和專業(yè)課以后的綜合性的專業(yè)課程設計。2工業(yè)機械手設計是機械設計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學生一次比較完整的機電一體化的整機設計。通過設計，培養(yǎng)學生獨立的機械整機設計能力，樹立正確的設計思路，掌握機電一體化機械產(chǎn)品設計的根本方法和步驟，為自動化機械設計打下良好的根底。3通過設計，使學生能熟練地應用有關參考資料、計算圖表、手冊、圖冊及標準，熟悉有關國家標準和局部標準，以完成一個工業(yè)技術人員在機械整機設計方面所必須具備的根本技能訓練。4由于機械手設計工作量比較大，為使學生在短時間內得到完整訓練，同學以小組為單位，分工合作共同完成此次機械手設計任務，這樣既節(jié)省了時間，有解

24、決了量大，時間緊的矛盾，同時最大限度的培養(yǎng)了學生分工協(xié)作完成大型設計的能力。 機械手的設計內容(1)機械手的方案論證根據(jù)國內外同類產(chǎn)品現(xiàn)狀，設計課題方案。(2)機械手的總體設計在方案論證的根底上進行機械手的總體設計，并繪制總體布局圖。(3) 驅動系統(tǒng)的設計根據(jù)機械手的特點，選用舍黨的驅動方式，根據(jù)總體設計要求進行電機選型。進行電機選型相關計算。進行驅動系統(tǒng)零部件的選型和設計。繪制驅動系統(tǒng)布局圖。(4)控制系統(tǒng)的設計確定機械手的控制方式并進行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。(5) 傳感與測試系統(tǒng)的設計進行控制與驅動系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設計。(6) 機械本體設計進行機械本體零部件設計，

25、繪制總體和零件圖。 PLC概況及在機械手中的應用1. 可編程序控制器的應用和開展概況可編程序控制器programmable controller，現(xiàn)在一般簡稱為PLCprogrammable logic controller，它是以微處理器為根底，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術、通 信網(wǎng)絡技開展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格廉價等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是控制

26、裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)，接線繁雜，當生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤柜就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。1.4.2 PLC的應用概況PLC的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說但凡需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按PLC的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。(1用于邏輯控制這是PLC最根本，也是最廣泛的應用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。(

27、2用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉換，并對模擬量控制。(3用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制NC及計算機控制CNC緊密結合，實現(xiàn)數(shù)字控制。(4用于工業(yè)機器人控制(5用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡。1.4.3 PLC的特點(1可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱

28、公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達30萬h，這是一般微機所不能比較的。(2控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC的硬件設備，只需相應改變軟件程序。(3編程簡單、使用、維護方便(4組合方便、功能強、應用范圍廣PLC既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，PLC應用范圍很廣。(5體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。1.4.4 PLC在機

29、械手中的應用機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以PLC控制為根底從而實現(xiàn)機械手的各種動。在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：(1)可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低

30、生產(chǎn)本錢，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。(2)可以改善勞動條件、防止人身事故在高溫、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合中，用人手直接操作 是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可局部或全部代替人平安地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手 代替人手進行工作，可以防止由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。(3)可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，

31、目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、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)開展的需要。因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點開展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地開展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，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械手。既便于設計制造，

32、又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的 作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個根本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，開展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、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應能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的開展趨勢是大 力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反應外界條件的變化，做出

33、相應的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究 視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀即距離傳感器以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反應控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，到達自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的開展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50

34、%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的開展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2. 搬運機械手總體設計方案氣動機械手的動作示意圖如圖1所示，氣動機械手的功能是將工件從A處移送到B處?？刂埔鬄椋?.氣動機械手的升降和左右移行分別由不同的雙線圈電磁閥來實現(xiàn)，電磁閥線圈失電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅動反向的線圈才能反向運動；2.上升、下降的電磁閥線圈分別為YV2、YV1；右行、左行的電磁閥線圈為YV3、YV4；3.機械手的夾鉗由單線圈電磁閥YV5來實現(xiàn)，線圈通電時夾緊工件，線圈斷電時松開工件；4.機械手的夾鉗的松開、夾緊通過延時1.7S實

35、現(xiàn)；5.機械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4來實現(xiàn)；機械手的操作面板如圖2所示。機械手能實現(xiàn)手動、回原位、單步、單周期和連續(xù)等五種工作方式。1.手開工作方式時，用各按鈕的點動實現(xiàn)相應的動作；2.回原位工作方式時，按下“回原位按鈕，那么機械手自動返回原位；3.單步工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機械手向前執(zhí)行一步；4.單周期工作方式時，每按下一次啟動安鈕，機械手只運行一個周期；5.連續(xù)工作方式時，機械手在原位，只要按下啟動安鈕，機械手就會連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止安鈕；6.傳送工件時，機械手必須升到最高點才能左右移動，以防止機械手在較低位置運行時碰到其他工

36、件；7.出現(xiàn)緊急情況，按下緊急停車按鈕時，機械手停止所有的操作。3. PLC及機械手的選擇和論證PLC PLC簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器Programmable Logic CONtroller，PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速開展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷開展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的根底上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀八十年代至

37、九十年代得到了迅速開展，世界范圍內的PLC年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)興旺國家的增長速度放緩。但是，在中國等開展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理開展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入P

38、LC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步步序號為零起依次執(zhí)行到最終步通常為END指令，然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位也有32位的為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控

39、制器。相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其本錢要低一些大約能省40%左右。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護本錢比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點最多可達8000多個I/O。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為適宜。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速開展和根底自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用P

40、LC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。3.1.2 PLC內部結構PLC實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是根本一的。如圖3所示， PLC硬件的根本結構圖所示：圖3 PLC硬件的根本結構圖3.1.3 PLC工作原理可編程序控制器有兩種根本的工作狀態(tài)，即運行RUN狀態(tài)與停止STOP狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的

41、輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。 在通信效勞階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。當可編程序

42、控制器處于停止STOP狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于RUN狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像存放器和輸出映像存放器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像存放器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開ON/OFF狀態(tài)讀入輸入存放器。外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像存放器為“1狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應的輸入映像存放器為“0狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開

43、觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像存放器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴杉僭O干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像存放器或別的元件映像存放器中將有關編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算結果寫入到對應的元件映像存放器中，因此，各編程元件的映像存放器輸入映像存放器除外的內容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸

44、出映像存放器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電時，對應的輸出映像存放器為“1狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。假設梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像存放器為“0狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像存放器為“1狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，映像存放器為“0狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖4.2所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典

45、型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖4所示。第(N-1)個掃描周期輸出刷新第(N+1)個掃描周期輸入采樣第N個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行圖4 PLC的掃描運行方式3.2 PLC的選型3.2.1 PLC的類型PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)

46、固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。3輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選

47、用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用本錢。考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。3電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否那么應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。3由于計算機集成芯片技術的開展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用工程的正常投運，一般要求PL

48、C的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。3冗余功能的選擇a控制單元的冗余1重要的過程單元：CPU包括存儲器及電源均應1B1冗余。2在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。b I/O接口單元的冗余 1控制回路的多點I/O卡應冗余配置。 2重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。 3根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。3經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較

49、滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。綜合上述原那么機械手控制系統(tǒng)主機為三菱的FX2N-40MR。 機械手.1機械手簡介mechanical hand 也被稱為自動手，auto hand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身平安，因

50、而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手簡述:機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但根本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1執(zhí)行機構機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動。2傳動系統(tǒng)執(zhí)行機構的動作要由傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。機械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、

51、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)動傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作動作復雜的機械手那么要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。.2機械手選擇由于機械手是在搬運中的應用，所以采用傳送帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性能可靠。并且根據(jù)要求，我設計的是氣動機械式。4. 硬件電路設計及描述4.1 操作方式 設備的操作方式一般可分為手動和自動兩大類，手動操作方式主要用于設備的調整，自動操作方式用于設備的自動運行。 手動操作方式手動操作：用單個按鈕接通或斷開各自對應的負載。 回原點：按下回原點按鈕，使設備自動回歸到原點位置。

52、自動操作方式單步運行：每按一次啟動按鈕，設備前進一個工步。 單周期運行：在原點位置時，按下啟動按鈕設備自動運行一個周期后停止原位；途中按下停止按鈕，設備停止運行；再按下啟動按鈕時，設備從斷點處繼續(xù)運行，直到原位停止。 連續(xù)運行：在原點位置按下啟動按鈕，設備按既定工序連續(xù)反復運行。中途按下停止按鈕，設備運行到原位停止。4.2 輸入和輸出點分配表及I/O分配接線表1 機械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表名 稱代號輸入名 稱代號輸入名 稱代號輸出啟動SB1X0左限位SQ1X8單周期SB13X16停止SB2X1右限位SQ3X9回原點啟動SB14X17上升SB3X2上限位SQ2X10電磁閥下降YV1Y0下降

53、SB4X3下限位SQ4X11電磁閥上升YV2Y1左移SB5X4手動SB9X12電磁閥左行YV3Y2右移SB6X5自動SB10X13電磁閥右行YV4Y3放松SB7X6回原點SB11X14電磁閥夾緊YV5Y4夾緊SB8X7單步SB12X15圖5 I/O分配及接線圖5. 軟件電路設計及描述 操作系統(tǒng)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖6所示。圖6 機械手操作系統(tǒng)程序其原理是：把旋鈕置于回原點，X16接通，系統(tǒng)自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，那么X6接通，其常閉觸頭翻開，程序不跳轉CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，那么跳到指針P所指P0處，執(zhí)行手動程序。之后，由于X7

54、常閉觸點，當執(zhí)行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，既X6常閉閉合、X7常閉翻開那么程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。5.2 回原位程序回原位程序如圖7所示。用S10S12作回零操作元件。應注意，當用S10S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復位前應使特殊繼電器M8043置1。圖7 回原位狀態(tài)轉移圖如圖8所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護。圖8 手動單步操作程序5.4 自動操作程序自動操作狀態(tài)轉移見圖9所示。當機械臂處于原位時，按啟動X0接通，狀態(tài)轉移到S20，驅動下降Y0，當?shù)竭_下限位使行程開關X1接通，狀態(tài)轉移到S21，而S20自動復位。S

55、21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力到達最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉移到S22，驅動Y2上升，當上升到達最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S23。S23驅動Y3右移。移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉移到S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。在編寫狀態(tài)轉移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用屢次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進順控的編程，比起用根本指令編程較為容易，可讀性較強。 圖9 自動操作狀態(tài)轉移圖5.5 機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖 圖10 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖如圖10所示。圖中從第0行到第27行為回原位狀態(tài)程序。從第28行到第66行，為手動單步操作程序。從第67行到第129行為自動操作程序。這三局部程序又稱為模塊是圖6的操作系統(tǒng)運行的?；卦怀绦蚝妥詣硬僮鞒绦?。是用步進順控方式編程