《搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)——畢業(yè)設(shè)計(jì)論文》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)——畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（70頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)項(xiàng)目說明書設(shè)計(jì)題目： 搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí)： 機(jī) 電 學(xué) 號(hào)： 設(shè) 計(jì) 者： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 年 月 日 湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)用電氣學(xué)院目 錄中文摘要，中文關(guān)鍵詞1英文摘要，英文關(guān)鍵詞2前 言3第一章 搬運(yùn)機(jī)械手課題研究基本知識(shí)51.1課題研究背景51.2課題研究目的與內(nèi)容5 1.3課題研究意義5第二章 搬運(yùn)機(jī)械手簡(jiǎn)介72.1 搬運(yùn)機(jī)械手的發(fā)展史72.2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)82.3機(jī)械手的工作原理82.4搬運(yùn)機(jī)械手的控制功能演變9第3章 搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)123.1搬運(yùn)案例分析12 3.1.1搬運(yùn)電飯煲機(jī)械手案例析12 3.1.

2、2機(jī)械手搬運(yùn)電飯煲方案證133.2搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械部件構(gòu)造設(shè)計(jì)14 3.2.1 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)14 3.2.2 機(jī)械手控制抓取力度的設(shè)計(jì)15 3.2.3 機(jī)械手防止出現(xiàn)刮痕的設(shè)計(jì)17 3.2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表173.3搬運(yùn)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)183.4搬運(yùn)機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)19 3.4.1 電控系統(tǒng)方案分析19 3.4.2 電控系統(tǒng)元器件選擇20 3.4.3 電控系統(tǒng)電氣主回路設(shè)計(jì)21第4章 搬運(yùn)機(jī)械手的PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)234.1 搬運(yùn)機(jī)械手控制回路方案選擇與論證234.2 PLC的基本知識(shí)254.3 搬運(yùn)機(jī)械手PLC程序控制設(shè)計(jì)27 4.3.1 PLC的選擇27 4.3.2控

3、制過程優(yōu)化28 4.3.3 PLC外圍電路設(shè)計(jì)30 4.3.4 PLC軟件程序設(shè)計(jì)34 4.3.5 PLC軟件程序仿真演示374.4 電氣控制系統(tǒng)安全措施與保護(hù)39第五章 搬運(yùn)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的裝調(diào)與維保42 5.1搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的安裝與調(diào)試42 5.2搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)44結(jié)束語47參考文獻(xiàn)48致 謝49附 錄50搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)摘 要機(jī)械手能模仿某些動(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。它可代替人的繁重、單調(diào)、重復(fù)勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，因而得到廣泛應(yīng)用。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)，機(jī)械

4、手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實(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)。通過六維力、觸力傳感器的互相協(xié)了來解決了搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)過程中抓取物體時(shí)爪部力度過大過小問題。【關(guān)鍵詞】:搬運(yùn)機(jī)械手，PLC，六維力、觸力傳感器，氣動(dòng)Design of PLC control technology for handling manipulatorAbstract：The mechanical hand can imitate the action of certain functions for a

5、utomatic operation device fixed program grab, moving objects or operating tool. It can replace the heavy, monotonous and repetitive work to realize the mechanization and automation of the production, so it is widely used. The design of manipulator by lifting and plane rotational structure, mechanica

6、l hand movements by the gas dynamic cylinder driving, manipulator controlled by PLC, with high reliability, advantage of the flexibility of program changes, whether it is for time control or stroke control and hybrid control, by setting the PLC program to realize. You can modify the program accordin

7、g to the movement of the manipulator in order to make more universal manipulator. Through the pressure, the contact sensor coordinated the to solve the manipulator, handling in the process of grasping the object the pawl efforts had greater than a small problem.【key word】：Handling manipulator, PLC,

8、pressure, touch sensor, pneumatic前 言機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它對(duì)穩(wěn)定與提高產(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。通過大量的國內(nèi)外期刊雜志，論述了機(jī)械手的發(fā)展歷程、組成和分類，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做了一定的了解。還對(duì)機(jī)械手的常見驅(qū)動(dòng)方式做了一番分析，并預(yù)測(cè)了它的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)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(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又

9、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)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機(jī)械手，是后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國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KnKa公司還生產(chǎn)

10、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。目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(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)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)

11、總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。第1章 搬運(yùn)機(jī)械手課題研究基本知識(shí)1.1 課題研究背景目前，生產(chǎn)成品包裝電飯煲的流水線工廠中都是人工搬運(yùn)成品電飯煲進(jìn)行包裝，包裝過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、在搬運(yùn)過程中可能造成電飯煲外殼的損傷。電飯煲作為一個(gè)生活必須用品，需求量很大，所以對(duì)生產(chǎn)量要求也大，工人搬運(yùn)過程中繁重、單調(diào)、重復(fù)的作業(yè)會(huì)出現(xiàn)不確定因素，導(dǎo)致產(chǎn)品電飯煲產(chǎn)生質(zhì)量問題和影響產(chǎn)品的美觀

12、，如果破損，將會(huì)直接報(bào)廢，不僅占有固定資金，還占用生產(chǎn)力，生產(chǎn)空間。結(jié)合實(shí)際中還可能出現(xiàn)的一些其它問題設(shè)計(jì)出一款搬運(yùn)機(jī)械手，在線上能替代人力，解決人力搬運(yùn)導(dǎo)致產(chǎn)品破損的問題，避免貨物損傷又節(jié)約了人力，又實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工廠自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的需要。用機(jī)械手來代替工人的操作，還大大的提高了工人的安全度和工作效率。1.2 課題研究目的與內(nèi)容本文通過對(duì)電飯煲的外形和材料的研究，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成了機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)，利用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)的控制。該搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過程中的某種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫助工人搬運(yùn)電飯煲移送。由氣動(dòng)傳動(dòng)，并配有控制系統(tǒng)、傳感器、步進(jìn)單機(jī)、操作按鍵、

13、電磁閥、減壓閥等，構(gòu)成典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們首先要了解工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理，并熟悉機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)要求指出系統(tǒng)所用的檢測(cè)元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并列出其電氣參數(shù)。在查閱資料時(shí)，總結(jié)出他人的設(shè)計(jì)方案，比較這一些方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出自己的改進(jìn)方案。來完成對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電氣主回路設(shè)計(jì)、PLC系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)步驟、抓取過程中抓取力的控制、搬運(yùn)電飯煲過程中在電飯煲上面留下刮痕。1.3 課題研究意義自動(dòng)成品包裝機(jī)械手屬于搬運(yùn)機(jī)械手的一種。所謂的搬運(yùn)機(jī)械手，就是將一個(gè)物體搬運(yùn)到另一個(gè)地方，機(jī)械手還可以在平臺(tái)上來回移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械手擁有很大的操作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，并

14、同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能。本課題設(shè)計(jì)用搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)電飯煲，對(duì)電飯煲進(jìn)行搬運(yùn)，將電飯煲搬運(yùn)到打包地點(diǎn)，然后由工人進(jìn)行打包，這一過程中機(jī)械手代替了人力，對(duì)成品產(chǎn)品進(jìn)行裝卸，大大提高生產(chǎn)效率，自動(dòng)化程度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免貨損。在搬運(yùn)過程中可以保證貨物不會(huì)產(chǎn)生貨損，有利于企業(yè)貨物成品率。提高效率，提高配送率，為企業(yè)產(chǎn)生大量利潤。第二章 搬運(yùn)機(jī)械手簡(jiǎn)介2.1 搬運(yùn)機(jī)械手的發(fā)展史我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它

15、是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(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)體上安裝回轉(zhuǎn)長臂，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。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；普曼公司專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手聯(lián)邦德國機(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)：聯(lián)邦德國K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；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自196

16、9年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(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

17、氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DCPWM等等。計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。可以將機(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，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手：按適用范圍可以分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌

18、跡可以分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成氣動(dòng)技術(shù)與PLC技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)出即環(huán)保又高效的機(jī)械手。2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)利用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)的控制。此搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過程中的某種自動(dòng)化設(shè)備，可以幫助工人搬運(yùn)電飯煲移送。由氣動(dòng)傳動(dòng)，并配有控制系統(tǒng)、傳感器、步進(jìn)單機(jī)、操作按鍵、電磁閥、減壓閥等，構(gòu)成典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。其中1-執(zhí)行氣爪，2-水平伸縮氣缸，3-旋轉(zhuǎn)軸，4-豎直氣缸，5-底座，6-工件。如圖2-1所示。圖2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖2.3 機(jī)械手的工作原理本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)，使用的是壓力0.6MPa，最高可達(dá)到0.8MPa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要的優(yōu)點(diǎn)

19、是氣源方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于維修。缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比較小，裝置體積大，定位度不高。這個(gè)機(jī)械手具有四個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度，用于將源工作臺(tái)上的物品搬運(yùn)到右側(cè)面的工作臺(tái)上。機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)手臂上升/下降、手臂伸出/縮回、手臂旋轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、手指旋轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/放松功能，是目前應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。2.4 搬運(yùn)機(jī)械手的控制功能演變機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，自動(dòng)操作又分為單周期操作和循環(huán)周期操作方式。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)開始，按啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成1

20、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。（1）機(jī)械手的自動(dòng)運(yùn)行： 下降：當(dāng)機(jī)械手檢測(cè)到傳送帶A上有工件時(shí)，有原點(diǎn)位置開始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)接通加緊電磁閥線圈。 夾緊工件：當(dāng)機(jī)械手加緊到位時(shí)，壓力繼電器觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。 上升：當(dāng)機(jī)械手夾緊到位時(shí)，機(jī)械手開始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通右移電磁閥線圈。 右移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，機(jī)械手開始右移，右移到位時(shí)，碰到有極限開關(guān)，機(jī)械手停止右

21、移，同時(shí)接通下降電磁閥線圈。 下降：當(dāng)機(jī)械手右移到位時(shí)，機(jī)械手重新開始下降，下降到位時(shí)，碰到下極限開關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)釋放加緊電磁閥線圈。 放松工件：放松動(dòng)作為時(shí)間控制，設(shè)為2秒。 上升：工件放松后，機(jī)械手開始上升，上升到位時(shí)，碰到上極限開關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)接通左移電磁閥線圈。 左移：機(jī)械手上升到位后，開始左移，左移到位時(shí)，碰到左極限開關(guān)，機(jī)械手停止左移。 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)光電開關(guān)檢測(cè)到工件后，又開始新的工作循環(huán)周期。機(jī)械手的手動(dòng)運(yùn)行。（2）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對(duì)應(yīng)的手動(dòng)操作按鈕控制，與操作順序無

22、關(guān)。為了使用時(shí)候的方便和適應(yīng)多樣化，設(shè)計(jì)了手動(dòng)、單周期、循環(huán)周期、回原點(diǎn)四個(gè)位置。輸入按鈕：（1）手動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)選擇按鈕，開關(guān)應(yīng)用手臂上升/下降，手臂伸出/縮回，夾緊/放松，手臂正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，手指正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)九個(gè)位置選擇。按鈕的多樣化可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)指令時(shí)，每個(gè)工步一步一個(gè)按鈕才能實(shí)現(xiàn)。（2） 電源、啟動(dòng)、停止、泵啟、泵停和緊急停止按鈕都是為了保障機(jī)械手這搬運(yùn)時(shí)候的安全。指示燈：為了清楚地看出PLC運(yùn)動(dòng)操作過程，正確判斷機(jī)械手這搬運(yùn)時(shí)候是不是正常工作，也有利于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)的監(jiān)控，便于機(jī)械手故障與排除，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的現(xiàn)實(shí)燈設(shè)計(jì)包括，臂上升/下降指示燈，手臂伸出/縮回指示燈，夾緊/放松指示燈，手臂正轉(zhuǎn)/

23、反轉(zhuǎn)指示燈，手指正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)指示燈。另外，為了對(duì)機(jī)械手回原點(diǎn)位置進(jìn)行指示，配置一個(gè)回原點(diǎn)的指示燈。能夠隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，配置一個(gè)故障指示燈。另外，還設(shè)置了一個(gè)電源指示燈來控制，控制面上是否有電，方便工人操作時(shí)候意外啟動(dòng)機(jī)械手。如圖2-2所示。圖2-2 機(jī)械手控制開關(guān)布局第三章 搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)3.1 搬運(yùn)案例分析 3.1.1 搬運(yùn)電飯煲機(jī)械手案例分析通過對(duì)成品電飯煲這機(jī)械手搬運(yùn)的實(shí)際要求，分析液壓式、氣動(dòng)式搬運(yùn)機(jī)械手這搬運(yùn)成品電飯煲過程中可能遇到的實(shí)際問題進(jìn)行分析。本課題選用氣動(dòng)式搬運(yùn)機(jī)械手。因?yàn)橐簤菏桨徇\(yùn)機(jī)械手可以出現(xiàn)的問題，搬運(yùn)成品電飯煲的時(shí)候液體為工作介質(zhì)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間不可

24、避免地泄漏，萬一泄漏到成品電飯煲上有可能影響到電飯煲的美觀和效率。液壓傳動(dòng)在工作過程中有較多的能量損失，如摩擦損失、泄漏損失等，故不宜于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)對(duì)油溫的變化比較敏感，油溫變化會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，在低溫和高溫條件下，采用液壓傳動(dòng)有一定的困難。為了減少泄露，液壓元件的制造精度要求高，因此，液壓元件的制造成本高，而且對(duì)油液的污染比較敏感。液壓系統(tǒng)故障的診斷比較困難，因此對(duì)維修人員提出了更高的要求，既要系統(tǒng)地掌握液壓傳動(dòng)的理論知識(shí)，又要有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著高壓、高速、高效率和大流量化，液壓元件和系統(tǒng)的噪聲日益增大，這也是要解決的問題。氣動(dòng)式搬運(yùn)機(jī)械手更時(shí)候成品電飯煲的搬運(yùn)，氣缸作為

25、線性驅(qū)動(dòng)器可在空間的任意位置組建它所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單；工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低。壓力等級(jí)低，使用安全；氣缸動(dòng)作速度一般為50500mm/s，比液壓和電氣方式的動(dòng)作速度快，其間，通過單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無級(jí)調(diào)節(jié)；可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動(dòng)作數(shù)約為數(shù)百萬次，而進(jìn)口的一般電磁閥的壽命大于3000萬次，小型閥超過一億次；利用空氣的可壓縮性，可儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣；全氣動(dòng)控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動(dòng)方式可在高溫場(chǎng)合使用；由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送。根據(jù)以上對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手案例分

26、析，可知道氣動(dòng)式要比液壓式的動(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。3.1.2 機(jī)械手搬運(yùn)電飯煲方案論證機(jī)械手的最大抓取是其規(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)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的電飯煲質(zhì)量為9.48kg。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0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為90/s。平均移動(dòng)速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為60/

27、s。機(jī)械手動(dòng)作時(shí) 有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c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。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來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100mm,最大工作半徑約為100mm 。手臂升降行程定為100mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為1mm。手臂的機(jī)構(gòu)基本上決定了操作機(jī)的工作空間范圍，按照搬運(yùn)機(jī)械手手

28、臂運(yùn)動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)形式和形態(tài)來進(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，)。這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小，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)器手。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

29、，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。按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。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)，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有四個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，

30、手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個(gè)自由度，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)是通過立柱來實(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)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。3.2 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械部件構(gòu)造設(shè)計(jì)3.2.1機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的更人性化性能更強(qiáng)適應(yīng)多種搬運(yùn)物體的需要，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可容易操作更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是方形、圓形、棒形材料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料、玻璃時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。研究設(shè)計(jì)的是抓取尺寸456*334*308mm的電飯煲。按照抓取電飯煲 的要求，設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由

31、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)是通過立柱來實(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)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運(yùn)動(dòng)由伸縮氣缸來實(shí)現(xiàn)，反轉(zhuǎn)由反轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)。如圖3-1所示。圖3-1 機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)3.2.2 機(jī)械手控制抓取力度的設(shè)計(jì)因?yàn)闄C(jī)械手搬運(yùn)物體的時(shí)候抓取物體時(shí)，力的控制都是由氣缸控制，抓取時(shí)物體的材料，因?yàn)椴煌Χ日莆詹缓每赡茉斐晌矬w的損壞，造成物體有質(zhì)量上的問題可能要報(bào)廢。為了防止出現(xiàn)力度掌握不好問題，我們可以考慮通過壓力傳感器和觸力傳感器的原理，這搬運(yùn)機(jī)械手上運(yùn)用六維力傳感器和觸力傳感器相互配合，可以還好的解決這一些問題。力傳感器：全球最小的六

32、自由度傳感器之一，采用緊湊及低型面設(shè)計(jì)。傳感器有中通孔，可安裝連桿和線纜。強(qiáng)度特別高，采用高強(qiáng)度不銹鋼線切割加工，最高單軸過載為額度量程的5.7到25.3倍。高信噪比，硅應(yīng)變片信號(hào)強(qiáng)于傳統(tǒng)應(yīng)變片75倍，信號(hào)放大后，可到達(dá)接近零的噪聲失真。六維力傳感器的標(biāo)定均在假設(shè)傳感器系統(tǒng)為線性系統(tǒng)的情況下進(jìn)行，即傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型滿足 F=CV其中，V是六維力傳感器輸出的6路原始信息(列信息，單位是V)，F(xiàn)是經(jīng)過計(jì)算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)。傳感器靜態(tài)標(biāo)定的實(shí)質(zhì)就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個(gè)輸出信號(hào)矢量組V求出標(biāo)定矩陣C，傳

33、感器的輸出信號(hào)是一個(gè)6路電壓信號(hào)組成的矢量。如果不考慮傳感器的非線性因素的影響，只要給傳感器施加6個(gè)線性無關(guān)的力矢量，并測(cè)得對(duì)應(yīng)6個(gè)力矢量的傳感器的輸出電壓信號(hào)矢量V，就可以得到一個(gè)惟一解C。如圖3-2所示。圖3-2 六維力傳感器觸力傳感器：FS系列觸力傳感器能夠在小型商用級(jí)別封裝下提供精確、可靠的觸力傳感功能，觸力傳感器內(nèi)含已技術(shù)成熟的經(jīng)特殊微切削硅傳感芯片，低功耗、無放大、無補(bǔ)償?shù)幕菟诡D電橋設(shè)計(jì)在1500g量程中輸出恒定的mv信號(hào)。觸力傳感器的工作原理為：離子注入的壓敏電阻受壓彎曲時(shí)阻值發(fā)生變化，并正比于所施加的觸力，觸力是通過不銹鋼插桿直接作用于傳感器內(nèi)部的硅敏感芯片，橋路電阻阻值正比與

34、觸力大小，橋路各電阻的變化產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的mV輸出信號(hào)。FS系列觸力傳感器運(yùn)用專利的模塊結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新的彈性技術(shù)及工程模塑材料使傳感器能承受5.5kg的過壓，不銹鋼插桿提供極為優(yōu)秀的機(jī)械穩(wěn)定性，能適合各種應(yīng)用場(chǎng)合，各種電氣連接方式，包括預(yù)聯(lián)線、PCB、SMT安裝方式，傳感器獨(dú)特的設(shè)計(jì)能提供包括安裝支架在內(nèi)的多種可選項(xiàng)，也可根據(jù)客戶要求特制。如圖3-3所示。圖3-3 FS系列觸力傳感器3.2.3機(jī)械手防止出現(xiàn)刮痕的設(shè)計(jì)大部分搬運(yùn)機(jī)械手，手指部分都是45號(hào)鋼制作而成，雖然45號(hào)鋼韌性、塑性和耐磨性高，但是對(duì)搬運(yùn)成品電飯煲外殼材料的理解還是容易在上面留下刮痕的，因此我們可以設(shè)計(jì)在搬運(yùn)機(jī)械手的手指部分套上硅橡膠

35、制作而成的指套，硅橡膠具有保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且力學(xué)性能無明顯變化。硅橡膠：(1)高溫性能：硅橡膠顯著的特征是高溫穩(wěn)定性，雖然常溫下硅橡膠的強(qiáng)度僅是天然橡膠或某些合成橡膠的一半，但在200以上的高溫環(huán)境下，硅橡膠仍能保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且力學(xué)性能無明顯變化。(2)低溫性能：硅橡膠的玻璃化溫度一般為-70-50，特殊配方可達(dá)-100，表明其低溫性能優(yōu)異。這對(duì)航空、宇航工業(yè)的意義重大。(3)耐候性硅橡膠中Si-O-Si鍵對(duì)氧、臭氧及紫外線等十分穩(wěn)定，在不加任何添加劑的情況下，就具有優(yōu)良的耐候性。(4)電氣性能：硅橡膠具有優(yōu)異的絕緣性能，耐電暈性和耐電弧性也非常好。(

36、5)物理機(jī)械性能：硅橡膠常溫下的物理機(jī)械性能比通用橡膠差，但在150的高溫和-50的低溫下，其物理機(jī)械性能優(yōu)于通用橡膠。(6)耐油及化學(xué)試劑性。普通硅橡膠具有中等的耐油、耐溶劑性能。3.2.4機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表用途:用于自動(dòng)輸送線的上下搬運(yùn)產(chǎn)品電飯煲給于包裝。設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):（1）本課題探討的電飯煲的尺寸：456*334*308mm，重量：9.48kg（2）自由度數(shù)：4個(gè)自由度（3）坐標(biāo)型式：17圓柱坐標(biāo)（4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程100mm：伸縮速度40mm/s：升降行程150mm：升降速度100mm/s：反轉(zhuǎn)范圍1800mm：回轉(zhuǎn)速度90/s。（5）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：反轉(zhuǎn)范圍1800mm：回轉(zhuǎn)

37、速度90/s。（6）手指夾持范圍：方形電飯煲尺寸:456*334*308。（9）定位方式行程開關(guān)。（10）定位精度1mm。（11）驅(qū)動(dòng)方式氣壓傳動(dòng)。（12）控制方式為點(diǎn)位程序控制(采用PLC)。3.3 搬運(yùn)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失較小，成本相對(duì)適宜，因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。搬運(yùn)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)如圖3-1。A、B、C、D、E氣缸分別控制搬運(yùn)機(jī)械手升降、水平伸縮、垂直伸縮、手爪、手臂轉(zhuǎn)動(dòng)、手指轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3-4所示。圖3-4 氣缸傳動(dòng)原理圖機(jī)械手手臂伸出、手腕回轉(zhuǎn)時(shí)，在到達(dá)接近開關(guān)端點(diǎn)前便發(fā)信號(hào)切斷氣壓通路，滑行緩沖；手臂縮回和手臂上升由接近開關(guān)適時(shí)發(fā)信

38、號(hào)，提前切斷氣路滑行緩沖并定位。各氣缸前采用調(diào)速閥，可以調(diào)節(jié)單位時(shí)間進(jìn)氣量，調(diào)節(jié)氣缸活塞的移動(dòng)速度，從而保證了氣缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。3.4 搬運(yùn)機(jī)械手電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1 電控系統(tǒng)方案分析電動(dòng)機(jī)的單向運(yùn)行，控制系統(tǒng)由PLC編程自動(dòng)控制，電機(jī)在貨物移動(dòng)有相應(yīng)的指示，電動(dòng)機(jī)有相應(yīng)的保護(hù)措施和總?？刂疲到y(tǒng)要求有超行程保護(hù)，若超行程時(shí)應(yīng)該有報(bào)警指示，系統(tǒng)要有電源指示，電流指示，電壓指示。由于控制氣缸的電磁閥線圈為24V直流電壓，PLC電源是220V交流電源，因此，用一個(gè)電源模塊達(dá)到所需的直流電壓。為了在開啟電源時(shí)有個(gè)指示，還需在面板上設(shè)置一個(gè)電源指示燈。如圖3-5所示。圖3-5 系統(tǒng)控制電源圖3.4.

39、2 電控系統(tǒng)元器件選擇表3-1 系統(tǒng)元器件選擇序號(hào)名稱型號(hào)1熔斷器UF2接觸器KM3熱繼電器FP5電機(jī)M6電源開關(guān)SA1光電隔離：光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及電流信號(hào)的放大。輸入的電信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了“電光電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

40、在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比來達(dá)到精密穩(wěn)壓的目的。3.4.3 電

41、控系統(tǒng)電氣主回路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路由PLC、程序存儲(chǔ)器、串行接口電路、并行接口電路、光電隔離電路、掉電保護(hù)電路等組成。系統(tǒng)硬件電路電氣原理圖如圖3-6所示。 圖3-6 電氣主回路圖第四章 搬運(yùn)機(jī)械手的PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 搬運(yùn)機(jī)械手控制回路方案選擇與論證單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微

42、控制器（Microcontroler），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)提及要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但

43、因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直

44、接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算的PLC機(jī)有以下特點(diǎn)：1、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 平均故障間隔時(shí)間長。 故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）。2、通用性強(qiáng)，控制程序可變，

45、使用方便。PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用。3、功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣。現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對(duì)話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程。4、編程簡(jiǎn)單，容易掌握。目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰

46、直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊(cè)或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序。同時(shí)還提供了功能圖、語句表等編程語言。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對(duì)于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。5、減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量。由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間

47、繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。搬運(yùn)機(jī)械手控制分部有單片機(jī)控制和PLC控制，它們各有各的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中PLC更適合。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對(duì)較低；缺點(diǎn)，用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng),開發(fā)周期長。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過很長時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。PLC控制：優(yōu)點(diǎn)：PLC是經(jīng)過幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢

48、驗(yàn)過的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短。缺點(diǎn)：成本相對(duì)單片機(jī)要高。但是搬運(yùn)機(jī)械手程序選擇PLC控制比較合適。4.2 PLC的基本知識(shí)1、PLC的特點(diǎn)：（1）在機(jī)械手控制系統(tǒng)中采用PLC，用PLC程序來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手穩(wěn)定、可靠、精確地運(yùn)行，實(shí)用性大大提高；（2）去掉了傳統(tǒng)電氣控制設(shè)備所需要的大量繼電器和接觸器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外部線路大大簡(jiǎn)化，有利于減小機(jī)械手的體積；（3）PLC可方便地增加或改變控制功能，具有很強(qiáng)的靈活性，可隨時(shí)更改機(jī)械手的控制順序；（4）PLC故障率極低，大大提高了運(yùn)行的安全性，并便于檢修，有利于機(jī)械手運(yùn)行的穩(wěn)定，減低故障率；（5）可以用計(jì)

49、算機(jī)對(duì)PLC進(jìn)行集中控制和管理，可提高調(diào)式效率；（6）一旦控制流程變化，只需要改變PLC程序而不需要改動(dòng)硬件接線，具有和好的方便性。與PLC相比較，繼電器的控制性能與其自身的功能已無法滿足與適應(yīng)工業(yè)控制的要求和發(fā)展，與PLC存在著質(zhì)的差別。表4-1給出了PLC與繼電器控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較。表4-1PLC與繼電器控制功能與特點(diǎn)比較比較項(xiàng)目繼電器控制PLC控制功能的實(shí)現(xiàn)硬件控制，通過對(duì)繼電器進(jìn)行硬接線完成相應(yīng)的控制功能軟件控制，通過對(duì)PLC進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)所需控制要求對(duì)控制要求變化的適應(yīng)性需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與接線，適應(yīng)性差只需對(duì)程序進(jìn)行修改，適應(yīng)性強(qiáng)可靠性元器件多、觸點(diǎn)多，容易出現(xiàn)故障，因此可靠性差采

50、用大規(guī)模集成電路，絕大部分是軟繼電器，因此可靠性高控制的實(shí)時(shí)性機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大，實(shí)時(shí)性差微處理器控制，實(shí)時(shí)性非常好占用空間與安裝控制柜體積大、笨重，安裝調(diào)試工作量大體積小，重量輕，安裝調(diào)試工作量小使用壽命易損，壽命短壽命長價(jià)格較低較高維護(hù)復(fù)雜、工作量大簡(jiǎn)便、工作量小雖然傳統(tǒng)的繼電器電梯控制技術(shù)比較成熟，但是這種控制系統(tǒng)本身存在不少缺陷：系統(tǒng)觸點(diǎn)繁多、接線線路復(fù)雜；普通控制電器及硬件接線方法難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能；電磁機(jī)構(gòu)及觸點(diǎn)動(dòng)作速度比較慢，系統(tǒng)控制精度難以提高；由于線路復(fù)雜，易出現(xiàn)故障等，正是由于這些原因，傳統(tǒng)的電梯控制不再適用于現(xiàn)代高層快速電梯。而PLC電梯控制則表現(xiàn)出更多的優(yōu)點(diǎn)。PL

51、C的基本工作如下:(1)輸入現(xiàn)場(chǎng)信息:在系統(tǒng)軟件的控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)；(2)執(zhí)行程序：順次掃描用戶程序中的各條指令，根據(jù)輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容進(jìn)行邏輯運(yùn)算。(3)輸出控制信號(hào)：根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，輸出狀態(tài)寄存器向各輸出點(diǎn)并行發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)所要求的邏輯控制功能。上述過程執(zhí)行完后，又重新開始，反復(fù)地執(zhí)行。每執(zhí)行一遍所需的時(shí)間稱為掃描周期。PLC的掃描周期通常為幾十毫秒。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的工作過程可以分為一系列不斷重復(fù)的順序操作，PLC的工作方式與此相似。因此，PLC的程序可與機(jī)器的動(dòng)作一一對(duì)應(yīng)，程序編制簡(jiǎn)單、直觀，不容易出錯(cuò)，而且容易修改，從而大大減少了軟件的開發(fā)費(fèi)用

52、，縮短了軟件的開發(fā)周期。為了提高工作的可靠性，及時(shí)接收外來的控制命令，PLC在每次掃描期間，除完成上述三步操作外，通常還要進(jìn)行故障自診斷，完成與編程器等的通信。每次掃描開始，先執(zhí)行一次自診斷程序，對(duì)各輸入輸出點(diǎn)、存儲(chǔ)器和CPU等進(jìn)行診斷，診斷的方法通常是測(cè)試出各部分的當(dāng)前狀態(tài)，并與正常的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行比較，若兩者一致，說明各部分工作正常，若不一致則認(rèn)為有故障。此時(shí)，PLC立即啟動(dòng)關(guān)機(jī)程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，并關(guān)斷所有輸出點(diǎn)，然后停機(jī)。診斷結(jié)束后，如沒發(fā)現(xiàn)故障，PLC將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請(qǐng)求。如果有則進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如，接受編程器發(fā)來的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)、出錯(cuò)信息送給編

53、程器顯示等。處理完通信后，PLC繼續(xù)往下掃描，輸入現(xiàn)場(chǎng)信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號(hào)，完成一個(gè)掃描周期。然后又從自診斷開始，進(jìn)行第二輪掃描。PLC就這樣不斷反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的連續(xù)控制，直到接收到停機(jī)命令，或因停電、出現(xiàn)故障等才停止工作。4.3 搬運(yùn)機(jī)械手PLC程序控制設(shè)計(jì)4.3.1 PLC的選擇西門子S7-200PLC在實(shí)時(shí)模式下具有速度快，具有通訊功能和較高的生產(chǎn)力的特點(diǎn)。一致的模塊化設(shè)計(jì)促進(jìn)了低性能定制產(chǎn)品的創(chuàng)造和可擴(kuò)展性的解決方案。來自西門子的S7 - 200微型PLC可以被當(dāng)作獨(dú)立的微型PLC解決方案或與其他控制器相結(jié)合使用。SIMATIC S7-200 Micro 自成一體

54、：特別緊湊但是具有驚人的能力特別是有關(guān)它的實(shí)時(shí)性能它速度快，功能強(qiáng)大的通訊方案，并且具有操作簡(jiǎn)便的硬件和軟件。但是還有更多特點(diǎn)：SIMATIC S7-200 Micro PLC具有統(tǒng)一的模塊化設(shè)計(jì)目前不是很大，但是未來不可限量的定制解決方案。這一切都使得SIMATIC S7-200 Micro PLC在一個(gè)緊湊的性能范圍內(nèi)為自動(dòng)化控制提供一個(gè)非常有效和經(jīng)濟(jì)的解決方案SIMATIC S7-200的應(yīng)用領(lǐng)域從更換繼電器和接觸器一直擴(kuò)展到在單機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及分布式配置中更復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。S7-200也越來越多地提供了對(duì)以前曾由于經(jīng)濟(jì)原因而開發(fā)的特殊電子設(shè)備的地區(qū)的進(jìn)入。如圖4-1所示。圖4-1西門子S

55、7-200PLC4.3.2 控制過程優(yōu)化本課題研究的搬運(yùn)機(jī)械手，機(jī)械手狀態(tài)初始化是同時(shí)可以進(jìn)行一些幾種模式操控。手動(dòng)模式、回原點(diǎn)模式、步進(jìn)模式、單周期模式、周期循環(huán)模式。接下來進(jìn)行自動(dòng)化狀態(tài)初始化，手臂反傳伸出，手臂下降，手指回轉(zhuǎn)張開，手指閉合夾物，手臂回縮旋轉(zhuǎn)，手臂前伸，手臂下降，這到關(guān)鍵的步驟循環(huán)，循環(huán)可以到自動(dòng)狀態(tài)初始化或者到機(jī)械手狀態(tài)初始化可以重新選擇以上說明的幾種模式。如圖4-2所示。圖4-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖4.3.3 PLC外圍電路設(shè)計(jì)1、輸入與輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：從工藝要求中可以看出，在控制方式選擇上需要5個(gè)按鈕，分別完成手動(dòng)方式、步進(jìn)方式、單周期方式、循環(huán)方式和原點(diǎn)方式的啟動(dòng)，還需要一

56、個(gè)緊急停止按鈕來處理緊急情況下的停止運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)操作輸入信號(hào)由10個(gè)按鈕組成;手臂上升/下降，手臂伸出/縮回，夾緊/放松，手臂旋轉(zhuǎn)/回轉(zhuǎn)，手指旋轉(zhuǎn)/回轉(zhuǎn)十個(gè)個(gè)按鈕。步進(jìn)運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，需要一個(gè)啟動(dòng)按鈕來控制運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械手每個(gè)自由的位移機(jī)構(gòu)上都設(shè)有限位開關(guān)：手臂上升/下降、手臂伸出/縮回、手臂旋轉(zhuǎn)/回轉(zhuǎn)手指旋轉(zhuǎn)/回轉(zhuǎn)用來限定機(jī)械手移動(dòng)范圍及進(jìn)行限位保護(hù)。連續(xù)運(yùn)動(dòng)方式時(shí)需要一個(gè)停止按鈕來實(shí)現(xiàn)循環(huán)停止。為了對(duì)氣缸進(jìn)行控制，設(shè)置了泵啟、泵停按鈕。工作臺(tái)上檢測(cè)到工件的輸入信號(hào)，熱繼電器輔助觸電。共31個(gè)輸入信號(hào)。輸出信號(hào)共23個(gè)，分別是機(jī)械手手臂下降電磁閥指示燈，上升電磁閥指示燈，手臂旋轉(zhuǎn)電磁閥指示燈，手臂回

57、轉(zhuǎn)電磁閥指示燈，機(jī)械手夾緊電磁閥指示燈機(jī)械手放松電磁閥指示燈，手臂伸出電磁閥指示燈，手臂縮回電磁閥指示燈，手指旋轉(zhuǎn)電磁閥指示燈，手指回轉(zhuǎn)電磁閥指示燈，為了還好對(duì)機(jī)械手原點(diǎn)位置指示，配置了個(gè)原點(diǎn)指示燈。為了能夠隨時(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是否正常，配置一個(gè)故障指示燈。為了保證系統(tǒng)的安全，還包括一個(gè)接觸線圈。表4-2 輸入與輸出點(diǎn)PLC輸入點(diǎn)：PLC輸出點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)按鈕SB1手臂伸出電磁閥Y1手動(dòng)啟動(dòng)按鈕是SB2手臂縮回電磁閥Y2步進(jìn)啟動(dòng)按鈕SB3手臂上升電磁閥Y3單周期啟動(dòng)按鈕SB5手臂下降電磁閥Y4循環(huán)啟動(dòng)按鈕SB5手臂旋轉(zhuǎn)電磁閥Y5回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕SB6手臂反轉(zhuǎn)電磁閥Y6手臂上升SB7手指旋轉(zhuǎn)電磁閥Y7手臂下

58、降SB8手指反轉(zhuǎn)電磁閥Y8爪部夾緊SB9爪部夾緊電磁閥Y9爪部放松SB10爪部放松電磁閥Y10手臂伸出SB11手臂伸出指示燈HL1手臂縮回SB12手臂縮回指示燈HL2手臂旋轉(zhuǎn)SB13手臂上升指示燈HL3手臂反轉(zhuǎn)SB14手臂下降指示燈HL4手指旋轉(zhuǎn)SB15手臂旋轉(zhuǎn)指示燈HL5手指反轉(zhuǎn)SB16手臂反轉(zhuǎn)指示燈HL6停止按鈕SB17手指旋轉(zhuǎn)指示燈HL7緊急停止按鈕SB18手指反轉(zhuǎn)指示燈HL8泵啟按鈕SB19爪部夾緊指示燈HL9泵停按鈕SB20爪部放松指示燈HL10手臂上升限位開關(guān)SQ1原點(diǎn)指示燈HL11手臂下降限位開關(guān)SQ2故障報(bào)警指示燈HL12手臂伸出限位開關(guān)SQ3接觸器線圈KM手臂縮回限位開關(guān)SQ4手臂旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)SQ5手臂反轉(zhuǎn)限位開關(guān)SQ6手指旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)SQ7手指反轉(zhuǎn)限位開關(guān)SQ8光電無工件檢測(cè)開關(guān)SQ9熱繼電器輔助觸點(diǎn)FR1壓力繼電器KP2、I/O分配表表4-3 I/O分配表號(hào)碼信號(hào)名稱信號(hào)符號(hào)地址1啟動(dòng)按鈕SB1I0.02手動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB2I0.13步進(jìn)啟動(dòng)按鈕SB3I0.24單周期啟動(dòng)按鈕SB4I0.35循環(huán)啟動(dòng)按鈕SB5I0.46回原點(diǎn)啟動(dòng)按鈕SB6I0.57手臂上升按鈕SB7I0.68手臂下降按鈕SB8I0.79爪部夾緊按鈕SB9I1.010爪部放松按鈕SB10I1.1