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1、長 春 工 業(yè) 大 學畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)論文題 目 基于 PLC 的多關(guān)節(jié)機械手 電控系統(tǒng)設(shè)計 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）I畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日

2、期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）II摘摘 要要隨著社會和科學技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應生

3、產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具機械手。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作，機械手則正好適應這類工作。在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。機械手是模仿著人手部的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機

4、械裝置。本文對多關(guān)節(jié)工業(yè)液壓機械手的結(jié)構(gòu)進行了詳細研究。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：三自由度 機械手 PLC 系統(tǒng)長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）IIIAbstractAs society and the development of science and technology，Industrial production operation mode has also undergone a revolutionary change, from manual mill of labor, gradually evolved into automatic and intelligent mode o

5、f production and human also gradually unable to complete some production process, so in order to adapt to the needs of the production of the appeared special production tools - manipulator. Meanwhile also appeared a few new production activities in these production activities, some are belong to hig

6、h risk, to human body harm is larger, some areas not suitable for human work is just, manipulator to meet this kind of work. In todays large-scale manufacturers, enterprises to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, industr

7、ial robots as an important member of automatic production line, gradually the enterprise recognizes and adopted. Industrial robot technology level and USES degree in a certain extent reflect a nation industrial automation level, at present, the industrial robot main bearing welding, spraying, handli

8、ng and stacking repeatability and the intensity of labor etc greatly, work normally take the reappearance of the demonstration teaching way. Manipulator is imitating the people hand movement, according to a given part of the program, track and requests to realize the acquirement, handling and operat

9、ion of automatic mechanical device. In this paper, three doff industrial hydraulic structure of the 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）IVmanipulator are studied.Keywords:Keywords: three doff manipulator PLC system目目 錄錄第第 1 1 章章 PLCPLC 概述概述 .11.1 PLC 的定義 .11.2 PLC 的由來及發(fā)展 .21.3 PLC 的特點及用途 .31.3.1 PLC 具有以下幾個主要特點.31.3

10、.2 可編程控制器的應用領(lǐng)域 .41.4 PLC 的主要技術(shù)指標.4第第 2 2 章章 機機械手簡介械手簡介.62.1 控制系統(tǒng)的功能要求 .62.1.1 機械手結(jié)構(gòu) .6第第 3 3 章章 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計 .93.1 PLC 的選型 .103.2 PLC 的 I/O 資源配置 .113.3 其他資源設(shè)置.14第第 4 4 章章 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計 .164.1 各個模塊梯形圖設(shè)計 .16總總 結(jié)結(jié).31致致 謝謝.33長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）V參考文獻參考文獻.34附錄附錄 1 1：基于：基于 PLCPLC 的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)原理圖的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)原

11、理圖 .35附錄附錄 2 2；基于；基于 PLCPLC 的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)程序清單的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)程序清單 .36長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）1第第 1 1 章章 PLCPLC 概述概述1.11.1 PLCPLC 的定義的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC，它具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能，所以美國電氣制造商協(xié)會將其正式命名為可編程控制器（Programmable Controller）,簡稱 PC。但是個人計算機（Personal Computer）也簡稱 PC，為了避免混淆，將用于邏輯控制的可編

12、程控制叫做 PLC（Programmable Logic Controller）.PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置，它其實就是一臺計算機，它采用可以編制程序的存儲器，在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，它以接入式 CPU 為核心，通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都是很容易與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，容易擴展其功能的?？删幊炭刂破魇且环N工業(yè)現(xiàn)場用計算機。它是為工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的，工業(yè)環(huán)境一般辦公環(huán)境有較大的區(qū)別。由于 PLC 的特殊構(gòu)造，使它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾

13、和溫度變化劇烈的環(huán)境下正常工作。為了能控制機械或生產(chǎn)過程，它要能很容易的與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，這些都是個人計算機無法比擬的?？删幊炭刂破魇且环N通用的工業(yè)控制計算機。它能控制各種類型的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它的功能能夠很容易地擴展，它的程序是可以根據(jù)控制對象的不同，讓使用者來編制的。也就是說，可編程控制器較其以前的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應用在各種場合。通過以上定義還可以了解到，相對一般意義上的計算機，可編程控制器不僅具有計算機的內(nèi)核，它還配置了許多使其適用于工業(yè)控制的器件。它實質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制計算機。從另一個方面來說，它是一種通用機，

14、經(jīng)過二次長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）2開發(fā)，它可以在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。它在很大程度上使的工業(yè)自動化設(shè)計從專業(yè)設(shè)計院走進工廠和礦山，變成了普通工程技術(shù)人員甚至普通電氣工人力所能及的工作。再加上體積小、工作可靠性高、抗干擾能力強、控制功能完善，適應性強，安裝接線簡單等眾多優(yōu)點，可編程控制器在短短的 30 年中獲得了突飛猛進的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應用。1.21.2 PLCPLC 的由來及發(fā)展的由來及發(fā)展1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱 PLC） ，在美國通用汽車公司

15、的自動裝配線上使用，取得了巨大的成功。20 世紀 70 年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20 世紀 70 年代中末期，可編程控制器進入了實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型的體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運

16、算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20 世紀 80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得了廣泛的應用。例如，在世界第一臺可編程控制器的誕生地美國，1982 年的統(tǒng)計數(shù)字顯示，大量應用可編程控制器的工業(yè)廠家占美國重點工業(yè)行業(yè)廠家總數(shù)的 82%，可編程控制器的應用數(shù)量已位于眾多的工業(yè)自控設(shè)備之首。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。許多可編程控制器的生產(chǎn)廠家已聞名于全世界。20 世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)

17、控制的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）3場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元，通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應用都的到了長足的發(fā)展。1.31.3 PLCPLC 的特點及用途的特點及用途 1.3.11.3.1 PLCPLC 具有以下幾個主要特點具有以下幾個主要特點1. 可靠性高、抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。PLC

18、 由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、嚴格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn)壓和保護、故障診斷等先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪音、強電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。PLC 的平均無故障時間可高達 510 萬小時以上。從 PLC 的機外電路來說，PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大降低。2.功能完善、應用領(lǐng)域廣到現(xiàn)在為止 PLC 已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。PLC 所具有的完善的數(shù)據(jù)運算能力，

19、可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，PLC 通訊能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。3.編程簡單，易學易用PLC 采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。在工業(yè)現(xiàn)場，可以使用手持編程器或筆記本對 PLC 進行編程。當 PLC 聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對 PLC 編程。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制提供了方便。4.系統(tǒng)安裝簡單、體積小、價格低PLC 在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)

20、計及建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）4的廣泛應用，功耗僅數(shù)瓦。由于 PLC 體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。使得 PLC 的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越多的情況下，PLC 的價格也越來越低。1.3.21.3.2 可編程控制器的應用領(lǐng)域可編程控制器的應用領(lǐng)域PLC 在鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)的應用也越來越廣泛，主要可以歸納為以下幾類：1.開關(guān)量的邏輯控制可編程控制器可實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，也可用于單臺設(shè)備的控制，又可用于多機群控制

21、及自動化流水線。2.模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。3.運動控制PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。4.過程控制過程控制是指對連續(xù)變化的量進行控制。如對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成

22、閉環(huán)控制。目前已廣泛應用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。1.41.4 PLCPLC 的主要技術(shù)指標的主要技術(shù)指標PLC 的性能指標較多，主要介紹與組成 PLC 控制系統(tǒng)關(guān)系較直接的幾個。1.編程語言及指令功能用戶的 PLC 程序可以用梯形圖語言、指令標語言、功能塊圖編寫，梯形圖語言在 PLC 中較為常見，梯形圖語言一般在計算機屏幕上編輯，使用起來簡單方便。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）5現(xiàn)在功能圖語言的使用有上升趨勢。編程語言中還有一個內(nèi)容是指令功能。衡量指令功能強弱可看兩個方面：一是指令條數(shù)多少；二是指令中有多少綜合性指令。一條綜合性指令一般就能完成一項專門操作。用戶編制的程

23、序完成的控制任務(wù)，取決于 PLC 指令的多少，指令功能越多，編程越簡單和方便，完成一定的控制任務(wù)越容易。2.輸入輸出點數(shù)輸入輸出點數(shù)是 PLC 可以接受的輸入開關(guān)信號和輸出開關(guān)信號的最大數(shù)量，值得注意的是輸入點數(shù)往往的大于輸出點數(shù)的，且二者不能相互替代。3.掃描速度數(shù)掃描速度數(shù)是指 PLC 掃描 1k（1k=1024）字用戶程序所需的時間，通常以ms/k 字為單位，掃描速度越快越好。4.存儲容量存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用 k 來表示。也有的 PLC 直接用所能存放的程序量表示。在編制 PLC 程序時，需要用到大量的寄存器來存放變量、中間結(jié)果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設(shè)置和各種

24、標志位等信息。這些寄存器的多少，直接關(guān)系到程序的編制，該存儲器的容量越大，就可以編制出更復雜的程序。5.可擴展性在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的可擴展性也顯的非常重要。主要包括：（1）輸入輸出點數(shù)的擴展；（2）存儲容量的擴展；（3）聯(lián)網(wǎng)功能的擴展；（4）可擴展的模塊數(shù)；另外，可編程序控制器的可靠性、易操作性及經(jīng)濟性等功能指示也受用戶的關(guān)注。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）6第第 2 2 章章 機械手機械手簡介簡介多關(guān)節(jié)機械手指的是利用關(guān)節(jié)連接兩個相鄰的剛體，即連桿，關(guān)節(jié)提供連桿之間的相對運動，在這個機構(gòu)中，關(guān)節(jié)多是以其中一個特點，正是由于關(guān)節(jié)多，所以它的抓握功能遠遠強于傳統(tǒng)的夾鉗式等機械手

25、。它可以完成對不同形狀、不規(guī)則工件的抓握。多關(guān)節(jié)機械手有多種結(jié)構(gòu)，其中最理想的也是應用最多的就是類似于人手的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能模擬人手抓物體時的情況。與傳統(tǒng)的機械手相比，多關(guān)節(jié)機械手具有動作靈活，運動慣性小、通用性強、能抓取靠近基座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作等優(yōu)點。2.1 控制系統(tǒng)的功能要求傳統(tǒng)的機械手采用繼電氣控制，由于其線路復雜、維護困難、可靠性差等缺點，無法滿足機械手控制的需求?？删幊炭刂破鳎≒LC）的出現(xiàn)使得這類問題得到解決，PLC 控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性高、編程簡單、功耗低和改造方便的特點，能夠完成動作要求精度高的工作。2.1.12.1.1 機械

26、手結(jié)構(gòu)機械手結(jié)構(gòu)以軸承裝配為例：軸承裝配是軸承生產(chǎn)過程中的最后且極為重要的環(huán)節(jié)，而軸承壓蓋機則是裝配先上較為復雜的部分。本節(jié)講述的是利用機械手在軸承裝配線上，通過 PLC 控制機械手的動作，完成取軸承、加蓋及轉(zhuǎn)移工件，最后控制壓蓋機完成壓蓋的整個過程。圖 2-1 是某以生產(chǎn)線上機械手的工作示意圖。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）7圖 2-1 機械手的工作示意圖該機械手在生產(chǎn)線上的主要任務(wù)是，將軸承從傳送帶 1 轉(zhuǎn)移至傳送帶 2 上，然后將蓋放置于軸承之上，最后經(jīng)壓蓋機加工，完成軸承裝配的一部分加工。整個工作過程機械手包括以下動作：手臂上升手臂下降手爪抓緊手爪放松手臂左旋手臂右旋多關(guān)節(jié)機

27、械手完成以上動作主要是通過機械控制來實現(xiàn)的，即利用 PLC 控制電動機的轉(zhuǎn)動和電磁閥的通斷，電動機的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動機械手臂的左右旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動氣缸的升降控制機械手臂的上升和下降。多關(guān)節(jié)機械手的工作過程如圖 2-2 所示：長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）8圖 2-2 多關(guān)節(jié)機械手簡單工作過程示意圖1.手臂上升：使機械手相對于工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足抓取工件的高度要求。2.手臂下降：使機械手相對于工作臺向下移動，降低它的高度，以滿足放置工件的高度要求。3.手爪抓緊：使機械手抓緊工件，以便完成工件抓起的要求。4.手爪放松：使機械手放松工件，以便完成工件放松的要求。5.手臂左旋：使機

28、械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動的要求。6.手臂右旋：使機械手在不改變高度的情況下，相對于工作臺向右旋轉(zhuǎn)，以便完成再次抓取工件的要求。由于 PLC 的抗干擾能力強，所以能在惡劣的工作環(huán)境中，可靠地完成控制任務(wù)，為了使設(shè)備便于安裝、調(diào)試，以及從經(jīng)濟角度考慮，設(shè)計出如圖 2-3 所示的機械手控制系統(tǒng)的功能框圖。圖 2-3 多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手控制系統(tǒng)的功能框圖手爪放松傳送帶 2手臂下降啟動手臂上升手臂抓緊手臂下降傳送帶 1手爪抓緊手臂右旋手臂上升電氣控制柜多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）9第第 3 3 章章 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計前面介紹了機械

29、手的機械結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要根據(jù)上節(jié)所述的功能要求配置需要的控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，按照控制系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計出如圖 3-1 所示的控制系統(tǒng)的硬件框圖。在此系統(tǒng)中僅靠 PLC 主機是無法完成控制要求的，因此擴展了一個 I/O 和兩個模擬量輸入/輸出模塊，以及兩個光電開關(guān)和一個可控電動機，閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(tǒng)中，單向閥除單獨使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手

30、柄進行調(diào)節(jié)；當流體反向流動時，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。當正向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當反向流動時，單向閥打開，不節(jié)流。以下是控制系統(tǒng)的硬件框圖 3-1。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）10控制按鈕傳感器傳送帶 B 電磁閥右旋限位開關(guān)左旋限位開關(guān)下降限位開關(guān)右旋限位開關(guān)光電開關(guān)抓緊電磁閥上升電磁閥下降電磁閥左旋限位開關(guān)松開電磁閥上升限位開關(guān)PLC圖 3-1 控制系統(tǒng)的硬件框圖3.13.1 PLCPLC 的選型的選型根據(jù)系統(tǒng)控制要求并從經(jīng)濟性和可靠性等方面考慮，選擇西門子 S7-200 系列PLC 作為此機械手控制系統(tǒng)的控制主機。在西

31、門子 S7-200 系列 PLC 中又有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU226 等之分。三自由度工業(yè)機械手 PLC 控制系統(tǒng)長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）11總共有 15個數(shù)字量輸入，8 個數(shù)字量輸出，供需 23 點 I/O 口，根據(jù) I/O 點數(shù)，選用了CPU224 作為主機。 同時擴展一個 I/O 模塊，選用 EM223 輸入/輸出混合擴展模塊。EM223 共 6種模塊，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和資源需求，采用 EM223 模塊中的 4 點輸入/4 出輸出模塊。 由于需要測量每個手指的壓力值，需要將傳感器的值輸入到 PLC 中進行判斷，所以擴展兩個模擬量模塊，全部選用

32、 EM235 模塊。模擬量輸入/輸出擴展模塊EM235 具有 4 路模擬量輸入/1 路模擬量輸出。 EM223 和 EM235 與 PLC 的連接不需要其他設(shè)置，只需要將排線插到主機及擴展模塊的插槽上。3.23.2 PLCPLC 的的 I/OI/O 資源配置資源配置根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，對 PLC 進行 I/O 及其他資源的分配，具體分配如下。表表 3-13-1 數(shù)字量輸入地址分配數(shù)字量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0高速脈沖輸入I1.1自動啟動I0.1急停按鈕I1.2上升限位開關(guān)I0.2手動/自動I1.3下降限位開關(guān)I0.3手臂上升I1.4左旋限位開關(guān)I0.4手臂下降I

33、1.5右旋限位開關(guān)I0.5手臂左旋I2.0傳送帶 1 光開關(guān)I0.6手臂右旋I2.1傳送帶 2 光開關(guān)I0.7手爪抓緊I2.2傳送帶 2 啟動I1.0手爪放松I2.3壓蓋機啟動長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）12表表 3-23-2 模擬量輸入地址分配模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備ATW0傳感器 1ATW0傳感器 4ATW0傳感器 2ATW0傳感器 5ATW0傳感器 3表表 3-33-3 數(shù)字量輸出地址分配數(shù)字量輸出地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0高速脈沖輸出Q0.5抓緊電磁閥Q0.1上升電磁閥Q0.6松開電磁閥Q0.2下降電磁閥Q0.7傳送帶 2 繼

34、電器Q0.3左旋電磁閥Q1.0壓蓋機繼電器Q0.4右旋電磁閥根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，硬件框圖及 I/O 分配情況，三自由度工業(yè)機械手控制系統(tǒng) PLC 控制部分的硬件接線如圖 3-2 所示。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）13 傳感器 2高速脈沖輸出上升電磁閥下降電磁閥左旋電磁閥右旋電磁閥抓緊電磁閥松開電磁閥傳送帶 2 繼電器壓蓋機電磁閥I0.0I0.1 Q0.0 Q0.1I0.2I0.3 Q0.2I0.4I0.5 Q0.3 S7-200I0.6 CPU224 Q0.4I0.7 + EM223 Q0.5I1.0 I1.1 Q0.6I1.2 Q0.7 I1.3 I1.4 Q1.0I1.5 I2

35、.0I2.1I2.2I2.3AIW0AIW2AIW4 EM235AIW6AIW8高速脈沖輸入急停按鈕手動/自動手臂上升手臂下降手臂右旋手臂左旋手爪抓緊手爪松開自動啟動上升限位開關(guān)下降限位開關(guān)左旋限位開關(guān)右旋限位開關(guān)傳送帶1光電開關(guān)傳送帶2 啟動壓蓋機啟動傳感器 1傳感器 2傳感器 3傳感器 4傳感器 5長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）14傳感器 3圖 3-2 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng) PLC 控制部分硬件連接圖3.33.3 其他資源設(shè)置其他資源設(shè)置要完成系統(tǒng)的功能除了 PLC 及其擴展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器及編碼盤等儀器設(shè)備。1.各種限位開關(guān)在此系統(tǒng)中，共用了 4

36、個限位開關(guān)：上升限位開關(guān)、下降限位開關(guān)、左旋限位開關(guān)和右旋限位開關(guān)。限位開關(guān)主要是來控制機械手在運動過程中的停止時刻和位置。2.光電開關(guān)在傳送帶 1 和傳送帶 2 上各有一個光電開關(guān)，此開關(guān)的作用主要是指示工件是否到位。傳送帶 1 上的光電開關(guān)用于檢測工件是否已到機械手可操作的工位，若到位則傳送帶 1 停止，等待工件被取走；傳送帶 2 上的光電開關(guān)則置于壓蓋機處，當工件到達壓蓋機時，傳送帶 2 停止，對工件進行壓蓋操作，操作結(jié)束后等待下一個工作。3.傳感器在此系統(tǒng)采用的是多關(guān)節(jié)機械手，由于要適應各種形狀的工件，所以要在手指受力的部分安裝壓力傳感器，將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓值傳入 PLC，然后進行判斷

37、，防止抓緊時壓力過大對工件造成損壞。4.各種電磁閥此系統(tǒng)中機械手手臂的上升和下降是用氣缸來實現(xiàn)的，使用一個氣缸、一個電磁閥就能實現(xiàn)手臂的上升和下降，相對于利用電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)升降，氣缸控制簡單方便。多關(guān)節(jié)機械手手爪的抓緊和松開共用了 4 個電磁閥。5.各種繼電器此系統(tǒng)中，傳送帶 2 并不需要時刻連續(xù)地運轉(zhuǎn)傳送，并且也不可能一直連續(xù)地傳送物品，而是根據(jù)機械手的當前工作情況有控制機械手的控制系統(tǒng)來控制傳送帶 2 的工作與否，該在什么時候啟動傳送帶，該在什么時候停止傳送帶。因此，就必須在傳送帶 2 的電動機部分裝一個可以控制電動機運轉(zhuǎn)和停止的繼電器，再長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）15連

38、接到 PLC 以控制接觸器，最后達到控制目的。壓蓋機同樣也不需要時時刻刻工作，因此在壓蓋機附近放置的光電開關(guān)，可以將工件到位的信號傳至 PLC，從而控制傳送帶 2 的停止，并且控制壓蓋機在工件到位的情況下工作。6.編碼器在此系統(tǒng)中，需要對機械手進行精確定位，所以在手臂左右轉(zhuǎn)動的時候，要將電動機反饋的信號同 PLC 發(fā)出的信號做比較，以檢測是否手臂準確到位。7.各種按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點，按下后旋轉(zhuǎn)復位；手動/自動按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常通；其余按鈕均采用觸點觸發(fā)方式，按下即接通，松開即復位。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）16第第 4 4 章章 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計

39、4.14.1 各個模塊梯形圖設(shè)計各個模塊梯形圖設(shè)計當軟件總體流程圖設(shè)計完成后，就需要對各個控制過程進行分解細化，這樣在程序便攜式就會簡潔明了，最后聯(lián)合起來調(diào)試也便于發(fā)現(xiàn)問題。當控制過程特別復雜的時候，采用模塊化設(shè)計，就顯得尤為重要。采用模塊化的設(shè)計，調(diào)試時先調(diào)試摸個模塊的功能，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，到最后聯(lián)調(diào)試若出現(xiàn)問題就可以很快找出原因及時解決。程序中用到的元件及設(shè)置如表 4-1 所示。表表 4-14-1 元件設(shè)置元件設(shè)置編號意義內(nèi)容備注M0.0急停標志on 有效M0.1手動標志on 有效M0.2自動標志on 有效M1.0機械手上升標志on 有效M1.1手臂左旋標志on 有效M1.2機械手下降標

40、志on 有效M1.3手爪抓緊工件標志on 有效M1.4機械手上升標志on 有效M1.5手臂右旋標志on 有效M1.6機械手下降標志on 有效M1.7手爪松開標志on 有效M2.0機械手上升標志on 有效M2.1手爪抓緊工件標志on 有效M2.2機械手下降標志on 有效M2.3手爪松開端蓋標志on 有效M2.4傳送帶 2 啟動標志on 有效圖 4-1 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)流程圖長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）17M2.5壓蓋機啟動標志on 有效T37一個循環(huán)結(jié)束后等待的時間101sVW01#傳感器值存儲單元VW22#傳感器置存儲單元VW43#傳感器置存儲單元VW64#傳感器置存儲單元VW

41、85#傳感器置存儲單元VW10抓取工件的標志壓力值存儲單元VW20抓取蓋端的標準壓力值由于機械手的控制過程是按順序執(zhí)行的，所以在程序編寫的時候采用順序控制指令。多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖 4-3 所示。 圖 4-1 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)流程圖長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）18長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）19長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）20長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）21長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）22長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）23 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）24圖 4-3 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)梯形圖如圖

42、4-3 所示的是控制系統(tǒng)的主程序，如圖 4-3（a）所示中主要是對高速計數(shù)器和高速脈沖輸出進行初始化。對于高速計數(shù)器，選用高速計數(shù)器 HSC0，工作方式為模式 0，輸入口為 I0.0。設(shè)置 HSC0 的功能為：復位與啟動輸入信號都是高電位有效、4 倍計數(shù)頻率、計數(shù)方向為增計數(shù)、預設(shè)脈沖為 10000 個、允許更新雙子和執(zhí)行 HSC 指令。對于高速脈沖輸出控制，設(shè)置為脈沖輸出方式，輸出口為 Q0.0。脈沖的輸出設(shè)置為多段管線輸出，本例中采用 3 段輸出，寫控制字到特定存儲器中，完成設(shè)置的功能為：時間基準為 s 級、不允許更新周期和脈沖數(shù)。由于是多段輸出，所以還需要簡歷包絡(luò)表，對 3 段脈沖周期、

43、數(shù)量進行設(shè)置，多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖如圖 4-4 所示。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）25長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）26圖 4-4 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)多段脈沖輸出梯形圖手臂的左右旋轉(zhuǎn)采用步進電機進行控制是為了提高定位的精度，所以需要用到高速計數(shù)器和高速脈沖輸出，對發(fā)出的脈沖數(shù)和接收到的脈沖數(shù)進行比較，如果相等，則定位準確，如果兩者有偏差，則補發(fā)脈沖，最后達到設(shè)定的位置上。如圖 4-4 表示的是對步進電機的脈沖輸出控制，本例采用 3 段脈沖輸出，由于步進電機本身的特性，啟動頻率不宜太高，所以在啟動階段輸出的脈沖周期為500ms，且周期逐步減少，緩慢提高其

44、輸出脈沖頻率；在第二階段，輸出脈沖周期為 50ms，在這個階段手臂的移動是最快的，當達到設(shè)定位置的時候，同樣不可以長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）27突然是頻率降低到 0，需要逐漸降低脈沖的頻率值，所以第三階段的脈沖周期為200ms，電動機逐步減速，達到設(shè)定位置后可能可靠停止。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）28 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）29圖 4-5 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)傳感器值 1 處理子程序梯形圖長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）30圖 4-6 多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)傳感器值 2 處理子程序梯形圖 如圖 4-5 所示多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)傳感器值 1 處

45、理子程序梯形圖和 4-6 所示多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)傳感器值 2 處理子程序梯形圖，都是針對傳感器采集到的值傳到 PLC 處理的子程序，由于機械手爪在每次加工過程中，都需要移動兩個工件，對于不同的工件，手爪的力度是不同的，為了防止抓緊力過大，對工件造成損壞，設(shè)置兩個不同的壓力對比值。在此小節(jié)中，完成了 PLC 軟件系統(tǒng)的所有設(shè)計，程序包括：控制系統(tǒng)的主程序、對高速脈沖輸出和高速計數(shù)器進行初始化設(shè)置的子程序和處理傳感器返回值的子程序。在主程序中，主要采用了順序控制指令。在多關(guān)節(jié)機械手的工作過程中，機械手爪是嚴格按照一定的順序運行的，采用順序控制指令能夠非常方便地按照工藝的流程進行設(shè)計，當下一個動作

46、開始執(zhí)行時，前一個動作中的所有元件全部復位到初始狀態(tài)，減少出現(xiàn)誤動作的概率。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）31總總 結(jié)結(jié)機械手的出現(xiàn)延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和 PLC 在工業(yè)生產(chǎn)過程中的廣泛應用，機械手技術(shù)方面的研究不斷得到創(chuàng)新，促使成果不斷涌現(xiàn)。本論文的設(shè)計主要取得了以下成果：1.對物料分揀機械手的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)等各組成部分進行了較為全面的分析，最后得出其總體設(shè)計方案。2.氣動驅(qū)動系統(tǒng)是強的非線性系統(tǒng)，其根本原因是空氣具有

47、可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在流量飽和效應，非線性摩擦力等因素，實現(xiàn)氣缸的精度定位非常困難。因此在其應用中，要對各參數(shù)進行調(diào)定，以達到比較理想狀態(tài)。3.機械手的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性、可靠性非常高的 PLC 進行控制。這使得機械設(shè)備更加靈活，動作準確，易于維護，勞動生產(chǎn)率大大得到了提高。各種操作方式自由切換，滿足了各種生產(chǎn)要求。本課題在完成了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對物料分揀機械手的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。由于時間的限制以及機械手的結(jié)構(gòu)比較復雜，有些問題需要進一步的研究：1.對機械手各部分連接方式的改進。本機械手結(jié)構(gòu)具有模塊式的特點，但由于考慮節(jié)約成本等因素，采用標準的單活塞桿雙作用氣缸，加導向裝

48、置的結(jié)構(gòu)。各部分不能實現(xiàn)任意方式拼裝，通過各種過渡連接件，使各個部分可以自由拼裝。2.氣動驅(qū)動改進長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）32在氣動驅(qū)動系統(tǒng)方面存在一個固有的弱點，僅采用古典的反饋控制很難得到高精度位置和力等的控制。所以，在氣動驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法上，廣泛地引入現(xiàn)制理論和智慧控制等方法是其特征之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一大規(guī)模并行分布處理非線性動力學系統(tǒng)，適用于強非線性的氣動機械手的控制。雖然還有很多尚未解決的問題有待于繼續(xù)研究，但相信 PLC 控制的物料分揀機械手的研究是非常有新意、有意義的，有著廣泛的應用前景。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）33致致 謝謝本文是在孫穎教授的悉心

49、指導下完成的。從論文的選題、研究方案的實施到論文的撰寫和修改無不凝聚著導師大量的心血。孫穎教授淵博的理論知識和實踐知識，創(chuàng)造性的思維方式及嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的工作作風給我?guī)砗芏嗟膯⒌虾徒陶d。在此，特向?qū)O穎教授表示最衷誠的感謝!大學的學習生涯即將結(jié)束，這次畢業(yè)設(shè)計也將給這四年的學習劃上一個圓滿的句號。在這段難忘的時光里，我不斷地汲取著知識的營養(yǎng)，感受著校園濃厚的學術(shù)氛圍，不但在學習上有很大的提高，在自身修養(yǎng)和綜合素質(zhì)上也有了明顯的進步。在這里我首先要感謝我的導師孫穎教授。在畢業(yè)設(shè)計的課題選擇方面，孫教授根據(jù)我今后就業(yè)的實際情況，為我制定了設(shè)計方向。在接下來的設(shè)計過程中，孫教授時刻指導著我

50、，為我提供了很多難得的學習機會和寶貴的資源以及為人處事的方法，是孫教授指出我學習上的不足之處，讓我的知識更加系統(tǒng)、全面?？傊?，沒有孫教授的傾力的指導，支持和鼓勵，就沒有我現(xiàn)在的進步和四年來的成長。感謝在本次設(shè)計中給過我?guī)椭?，指導過我的老師和同學，他們有的解決了我技術(shù)上的疑問，有的給我提供了設(shè)計中需要的工具和器材。正是他們無私的幫助，我的設(shè)計才得以順利完成。最后感謝我身邊的同學們和朋友們，他們讓我體會到友誼的可貴，和朋友分享喜悅和憂愁的快樂。感謝我的學校，它記錄了我在這四年生活和學習的點點滴滴，這是一片我深愛著的土地。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）34參參 考考 文文 獻獻1 王敏,趙

51、道致,等. 基于 MICK 資源集成的新產(chǎn)品開發(fā)供應商參與決策J. 中國地質(zhì)大學學報(社會科學版). 2008.2 王亮,陳大雄. 企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的系統(tǒng)分析J. 系統(tǒng)工程. 2003. 3 蘇越良. 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下合作技術(shù)創(chuàng)新風險J. 系統(tǒng)工程. 2005.(04) 4 許勝江. 核心產(chǎn)品及其開發(fā)與評價J. 系統(tǒng)工程. 2006. 5 羅劍宏,李笑. 基于聯(lián)盟共享核心能力的高新技術(shù)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新方式J. 系統(tǒng)工程. 2006.(06) 6 陳弘. 企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)風險及其評估模型J. 系統(tǒng)工程. 2006.(07) 7 陽波,強茂山. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有序度負熵評價模型的改進J. 系統(tǒng)工程. 2007. 8 趙

52、小惠,陳菊紅,孫林巖,蘇菊寧. 制造商-供應商協(xié)同產(chǎn)品創(chuàng)新合作機制研究J. 工業(yè)工程. 2005.(06) 9 Meyer M H, Lehnerd, A P.The Power of Product Platform: Building Value and Cost Leadership.New York:Free Press,1997. 10 Rogers EM.Diffusion of innovations.New York:The Free Press,1983. 11 March JG, Simon HA.Organization.New York:John Wiley and S

53、ons,Inc,1958. 12 Culpan.MultinationalStrategicAlliancesM.TheHoworthPress,1993. 13 OPC Fcundation. Alarms and Events Specification1.0 S.2001長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）35附錄附錄 1 1：基于：基于 PLCPLC 的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)原理圖的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)原理圖長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）36附錄附錄 2 2；基于；基于 PLCPLC 的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)程序清單的多關(guān)節(jié)機械手控制系統(tǒng)程序清單主程序：ORG 000HJMP

54、 STARTSTART： Curtemp EQU 10H ；Curtemp 存儲地址 Pretemp EQU 11H ；Pretemp 存儲地址MOV TMOD， #53H LCALL InitDS12887 ；初始化 DS12887 時鐘芯片 SETB EA ；開 CPU 中斷 LCALL ReadTime ；讀時間設(shè)定值 CLR C ；C 清零 SUB Curtemp，pretemp JC OffheatHeatcontinue： LCALL FUZZY LCALL DELAY LCALL Heat SJMP $OffHeat：CLR P2.1 RETI長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）37 Heat： SETB P2.1 LCALL DELAY CLR C LCALL ReadTemp1.指導教師簡要評語（質(zhì)量、水平，能否參加答辯） 指導教師簽字 年 月 日 2.評閱教師簡要評語（質(zhì)量、水平，能否參加答辯） 評閱教師簽字 年 月 日