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填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 學(xué)生姓名 王彬 學(xué) 號 2010963125 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造 及其自動化 指導(dǎo)教師 徐志遠(yuǎn) 職 稱 講師 所在系 機(jī)電系 課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設(shè)計 課題名稱 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況 選題依據(jù) 隨著社會進(jìn)步和科學(xué)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，逐步演變成自動化、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(yīng)生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具----機(jī)械手。 機(jī)械手也被稱為自動手，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。研究和使用機(jī)械手可以實現(xiàn)現(xiàn)代化和自動化生產(chǎn)，從而減輕勞動強(qiáng)度和避免傷害。 課題的意義 機(jī)械手的應(yīng)用可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，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。研究和使用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，同時還可以避免勞動者在生產(chǎn)中受到傷害。? 國內(nèi)外基本研究情況 目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．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)。 B．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(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。 C．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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 D．關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 二、研究內(nèi)容、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案 和主要措施 研究內(nèi)容 本課題主要研究的是基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件的選擇和軟件的設(shè)計。本課題所研究的是常見的搬運機(jī)械手，我們對其動作的自動化實現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計，其主要內(nèi)容包括硬件的選擇和軟件的設(shè)計，硬件的選擇主要有電機(jī)的選型，傳動的實現(xiàn)，傳感器的選擇等等，而軟件的設(shè)計其主要內(nèi)容就是軟件的選擇，選用哪一種軟件來進(jìn)行自動化系統(tǒng)的設(shè)計和編寫程序，以及最后的調(diào)試等。 預(yù)計達(dá)到目的 1. 上升，下降，夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 2. 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。 3. 運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換 4. 完成基本設(shè)計后要達(dá)到以下要求：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。 關(guān)鍵理論和技術(shù) 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用機(jī)械傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。在這里雖然不對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，但仍需對其有一定的了解，這里做簡要介紹。 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1、手部即與物件接觸的部件 由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是由夾持 部件和傳力機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂(包括大臂和小臂) 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位臵。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動。在這里選擇采用電機(jī)驅(qū)動和機(jī)械傳動方式。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制 系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置. 技術(shù)指標(biāo) 1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關(guān)PS，用以檢測物品的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品時為ON狀態(tài)。 2.機(jī)械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后，傳送帶A停。 3．傳輸帶A停止后，機(jī)械手進(jìn)行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉(zhuǎn)）上。 4.機(jī)械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一個循環(huán)。 5．按下停止按鈕后，應(yīng)等到整個循環(huán)完成后，才能使機(jī)械手返回原位，停止工作。 6.機(jī)械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結(jié)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作。 7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。 8.機(jī)械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關(guān)控制。 9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當(dāng)抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設(shè)為1s）。 完成課題的方案和措施 研究步驟、方法： （1）了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)：1）多關(guān)節(jié)機(jī)械手；2）多關(guān)節(jié)機(jī)械手的工作原理。 （2）硬件選擇：1）PLC選型；2）光電開關(guān)；3）傳感器；4）各種電磁閥；5）繼電器；6）編碼盤；7）按鈕。 （3）軟件編程：1）總體流程設(shè)計；2）各模塊梯形圖設(shè)計；3）系統(tǒng)調(diào)試。 三、主要特色及工作進(jìn)度 主要特色 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。手部是用來抓持弓箭（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(jié)構(gòu)形式，本設(shè)計中主要采用夾持型。運動機(jī)構(gòu)使手部能完成實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作，完成搬運過程，計劃設(shè)計運動機(jī)構(gòu)時有三個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機(jī)械手每個自由度的電機(jī)的控制，來完成原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作。同時接收傳感器反饋來的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心是由PLC構(gòu)成，通過對PLC編程實現(xiàn)所要的功能。 工作進(jìn)度 （1）2014年01月23日到2014年03月10日 查閱資料，熟悉設(shè)計內(nèi)容 （2）2014年03月11日到2014年03月20日 完成開題報告，制定設(shè)計方案 （3）2014年03月21日到2014年04月20日 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計 （4）2014年04月21日到2014年05月10日 寫出初稿 （5）2014年05月11日到2014年05月20日 修改，寫出第二稿 （6）2014年05月21日到2014年05月31日 寫出正式稿 （7）2014年06月 答辯 四、主要參考文獻(xiàn)（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出） [1] 王本軼. 機(jī)床設(shè)備控制基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. [2] 熊幸明. 一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制[J]. 微計算機(jī)信息, 2006, 22(11): 120-122. [3] 王炳實. 機(jī)床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. [4] 蔣少茵. PLC控制的機(jī)械手[J]. 微計算機(jī)信息, 2002, 18(2): 20-22. [5] 劉軒, 王麗偉. 機(jī)械手的PLC控制[J]. 機(jī)床電器. 2006, (3): 34-49. [6] 郭劍暉. 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 南昌: 南昌大學(xué). 2012. [7] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京航天航空出版社.2009 [8] 郭艷萍.基于PLC?的工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,9(9):31-32 [9] 蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,76(4):11-16. [10] 王勤.計算機(jī)控制技術(shù)[M]．南京:東南大學(xué)出版社, 2003. [11] http://epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx 指導(dǎo)教師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系意見 系主任簽名： 年 月 日 院意見 教學(xué)院長簽名： 年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目：機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 2010963125 姓 名： 王 彬 指導(dǎo)教師： 徐志遠(yuǎn) 完成日期： 2014年05月20日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)號： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 徐志遠(yuǎn) 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 機(jī)械手在專用機(jī)床及自動線上應(yīng)用十分廣泛，主要用于搬運或裝卸零件的重復(fù)動作，以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 1、對機(jī)械手及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠。 2、繪制一張總裝配圖。 3、獨立完成程序控制設(shè)計，設(shè)計符合控制要求的程序。 4、論文字?jǐn)?shù)要求：8000字以上。 二、重點研究的問題 1、選用常見的搬運機(jī)械手進(jìn)行研究，實現(xiàn)其功能。 2、上升、下降、夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 3、電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。 4、運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換。 三、進(jìn)度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料、熟悉設(shè)計內(nèi)容 2013.12.21-2014.1.22 2 開題報告、制訂設(shè)計方案 2014.1.23~2014.3.10 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計 2014.3.11~2014.4.20 4 寫出初稿 2014.4.21~2014.5.10 5 修改，寫出第二稿 2014.5.11~2014.5.20 6 寫出正式稿 2014.5.21~2014.5.31 7 答辯 2014.6 8 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 王本軼. 機(jī)床設(shè)備控制基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. [2] 熊幸明. 一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制[J]. 微計算機(jī)信息, 2006, 22(11): 120-122. [3] 王炳實. 機(jī)床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. [4] 蔣少茵. PLC控制的機(jī)械手[J]. 微計算機(jī)信息, 2002, 18(2): 20-22. [5] 劉軒, 王麗偉. 機(jī)械手的PLC控制[J]. 機(jī)床電器. 2006, (3): 34-49. [6] 郭劍暉. 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 南昌: 南昌大學(xué). 2012. 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué)號 2010963125 姓名 王彬 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化四班 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 評閱人： 2014年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 28 頁 圖 表 1 張 論文（設(shè)計）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 內(nèi)容提要： 機(jī)械手在現(xiàn)代化自動化生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，它的應(yīng)用和普及為自動化生 產(chǎn)，安全生產(chǎn)提供了有力的條件，其中在機(jī)械手的應(yīng)用和普及中最為核心的就是機(jī)械手 的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是機(jī)械手的大腦和靈魂，它指揮著機(jī)械手完成特定的動作，實現(xiàn) 其相應(yīng)的功能，在本次設(shè)計中，機(jī)械手的主要作用是進(jìn)行搬運，因此其實現(xiàn)的動作有 原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位，這些動作的實現(xiàn) 使得機(jī)械手能過完整地完成一次物件的搬運，從而節(jié)約物力和人力，有利于提高生產(chǎn)效 率，節(jié)約成本。該機(jī)械手的形狀和構(gòu)成如附件1中圖所示，而其控制功能的實現(xiàn)，這里 選用的是西門子公司的S7-200軟件，通過編寫的程序（如附件2，3），控制系統(tǒng)指揮 各電子元件來完成其功能。 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 第1章 緒論……………………………………………………………………… 1 1.1 課題研究目的及意義……………………………………………………… 1 1.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況…………………………………………………… 1 1.3 課題研究的內(nèi)容和預(yù)計達(dá)到目的………………………………………… 2 第2章 機(jī)械手介紹……………………………………………………………… 3 2.1 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)選型……………………………………………………… 3 2.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)選型……………………………………………………… 5 第3章 S7-200系統(tǒng)的基本介紹………………………………………………… 8 3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成………………………………………………… 8 3.2 S7-200PLC內(nèi)部資源……………………………………………………… 9 第4章 電機(jī)和傳感器選擇……………………………………………………… 11 4.1 電機(jī)選擇…………………………………………………………………… 11 4.2 傳感器選擇………………………………………………………………… 12 第5章 控制部分設(shè)計………………………………………………………………14 5.1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)………………………………………………………… 14 5.2 PLC程序編寫……………………………………………………………… 15 5.3 PLC程序調(diào)試……………………………………………………………… 24 第6章 總結(jié)……………………………………………………………………… 26 致謝………………………………………………………………………………… 27 主要參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 28 第1章緒論 1.1課題研究的目的和意義 機(jī)械手是工業(yè)自動化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視?？傊瑱C(jī)械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強(qiáng)度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段。國內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。 可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。 由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機(jī)械手在美國、加拿大等國家應(yīng)用較多，如用果實采摘機(jī)械手來摘果實、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計的機(jī)械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。通過此次設(shè)計可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實踐。 1.2 國內(nèi)外機(jī)械手研究概況 機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學(xué)能力等人工智能。 目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來越多地裝備部隊。 國外方面：近幾年國外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個發(fā)展趨勢。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。 國內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點焊機(jī)械手、搬運機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置，軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的全套自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來說，我國已經(jīng)具備了獨立自主發(fā)展中國機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)。 1.3課題研究的內(nèi)容和預(yù)計達(dá)到目的 本課題主要研究的是基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計。通過設(shè)計編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計出人機(jī)界面，進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對象的連接，實現(xiàn)動畫連接，實現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控。通過MCGS將機(jī)械手的動作過程進(jìn)行動畫演示，使機(jī)械手的動作形象化。提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。 本課題要達(dá)到的目的有：1.機(jī)械手的機(jī)構(gòu)能滿足其動作要求，實現(xiàn)相應(yīng)功能。2.上升，下降，夾緊等動作的實現(xiàn)手段。3.電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。4.運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換4.完成基本設(shè)計后要達(dá)到以下要求：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。 第2章機(jī)械手介紹 在本課題中機(jī)械手主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)三部分所構(gòu)成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手的機(jī)械部分，由于此課題主要研究的是通用機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計，所以在這里不需要再另外進(jìn)行機(jī)械部分的設(shè)計，所以這里只做簡要的介紹。顧名思義在本課題中執(zhí)行機(jī)構(gòu)即是指機(jī)械手，而機(jī)械手又由手指，關(guān)節(jié)，大臂，小臂，支座等幾部分構(gòu)成，通過這幾部分來模擬人手臂，以期完成需要的動作實現(xiàn)其功能。與此同時在該裝置中驅(qū)動系統(tǒng)主要采用電機(jī)驅(qū)動，通過電機(jī)來給予整個裝置提供動力和運動支持，它的選擇是經(jīng)過與其他驅(qū)動方式相互比較后得來的，這一點在后面的論文中會有詳細(xì)的介紹。最后關(guān)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)的選擇及其控制功能的實現(xiàn)，由于PLC軟件具有簡單易學(xué)，使用和維護(hù)方便，運行穩(wěn)定可靠，設(shè)計施工周期短等優(yōu)點，因此這里選擇的是PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)。 2.1機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)選型 該機(jī)械手一共具有三個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運動，一共需要三個動力源。機(jī)械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表1 表2-1三種驅(qū)動方式的特點對照 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動 輸出功率 ? 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa ? 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 ? 很高 較高 ? 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手和托運機(jī)械手 適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)械手，如沖壓機(jī)械手本體的氣動平衡及裝配機(jī)械手氣動夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 3）．驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。? 4）．安全可靠； 5）．操作和維護(hù)方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要?。? 7）．經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)械手進(jìn)行驅(qū)動。 2.2機(jī)械手控制系統(tǒng)選型 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實現(xiàn)，這種控制方式投資相對少一些，目前僅在一些舊式的、簡單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場，但該控制方式卻有以下致命缺陷：（1）僅適合于簡單的邏輯控制；（2）僅適合特殊的工程項目，而沒有通用性；（3）沒有改動和優(yōu)化的可能性。伴隨著工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，我國工業(yè)領(lǐng)域的自動化已經(jīng)基本實現(xiàn)了從繼電器控制到計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變，計算機(jī)控制方式具有以下兩個特點：（1）硬件上至少有一個微處理器；（2）通過軟件實現(xiàn)控制思想。目前，工業(yè)自動化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：（1）可編程序邏輯控制器（PLC）；（2）工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）；（3）集散控制系統(tǒng)（DCS）。下面對著三種控制方式做簡要的介紹和對比： 計算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。 集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。 近年來隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機(jī)也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。 在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。 由于PLC和計算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具，實際上它們的區(qū)別仍然存在。 PLC用編程器或計算機(jī)編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。 特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機(jī)的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機(jī)，但是從開關(guān)量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機(jī)。 總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的，也沒有哪種產(chǎn)品絕對差，只能說根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品。 PLC實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設(shè)計軟件來實現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來設(shè)計。 PLC自問世以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前，PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端（輸入端）為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機(jī)。人們在應(yīng)用它時，可以不必進(jìn)行計算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC具有很多的優(yōu)點。機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點，可以根據(jù)現(xiàn)場要求實現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。 綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇PLC控制(這里采用最新版的S7-200系列PLC). 第3章S7-200系統(tǒng)的基本介紹 S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。在2000年以前，西門子在中國市場的PLC產(chǎn)品主要是大中型的PLC，日本的小型PLC占據(jù)了中國的大部分市場份額。在S7-200推出后，這種情況得到了明顯的改變，最近幾年以來的小型PLC市場上S7-200成為了主流產(chǎn)品。 3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成 S7-200PLC屬于小型PLC，其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式，主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點，一個主機(jī)單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，如果I/O點數(shù)量不夠，則可以增加I/O擴(kuò)展模塊；如果需要其他特殊的功能，則可以增加相應(yīng)的功能模塊。一個完整的系統(tǒng)組成由主機(jī)單元，擴(kuò)展單元，特殊功能模塊，相關(guān)設(shè)備，軟件五部分構(gòu)成，其構(gòu)成如圖3-1所示。 圖3-1 主機(jī)單元：又叫基本單元或CPU模塊。它是由CPU、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等組成，是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務(wù)。 擴(kuò)展單元：也稱擴(kuò)展模塊。當(dāng)主機(jī)I/O點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊。根據(jù)I/O點數(shù)的數(shù)量不同（如4點，8點，16點等），性質(zhì)不同（如DI,DO,AI,AO等），供電電壓不同（如DC24V,AC220V等），I/O擴(kuò)展模塊有多種類型。每個CPU所能鏈接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實際所能用的I/O點數(shù)是由多種因素共同決定的。S7-200的I/O擴(kuò)展模塊有EM221，EM222，EM223，EM231,EM232，EM235等。在此次的控制系統(tǒng)設(shè)計中由于其主程序的網(wǎng)絡(luò)有三十多條但PLC只提供了25條輸入網(wǎng)絡(luò)因此需要用到一個輸入擴(kuò)展模塊EM221，這里選擇使用一個16點的DC。 特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置，如運動控制模塊，特殊通信模塊等。 相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為充分利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)，使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備，人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 軟元件：用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出，內(nèi)部存儲單元，定時器等都稱作軟元件。軟元件有其不同的功能，有固定的地址。軟元件的數(shù)量決定了可編程控制器的規(guī)模和數(shù)據(jù)處理能力，每一種PLC的軟元件數(shù)量是有限的。在該設(shè)計方案中，需要用到的軟元件有輸入繼電器，輸出繼電器，通用輔助繼電器，變量存儲器，定時器等。 1.輸入繼電器位于PLC存儲器額的輸入過程映像寄存器（Process-Image Input Register）區(qū)，其外部有一對物理的輸入端子與之對應(yīng)，該觸點用于接收外部的開關(guān)信號，比如按鈕，行程開關(guān)，光電開關(guān)等傳感器的信號都是通過輸入繼電器的物理端子接入到PLC的。當(dāng)外部的開關(guān)信號閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些觸點可以在編程時任意使用，使用次數(shù)不受限制。 每個輸入繼電器都對應(yīng)有一個映像寄存器，在每個掃描周期的開始，PLC對個輸入點進(jìn)行采樣，并把采樣值通過輸入繼電器送到映像寄存器。PLC在接下來的本周期各階段不在改變輸入映像寄存器中的值，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。 實際輸入點數(shù)不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量，具有地址而未用的輸入映像區(qū)可能有剩余，它們可以做其他編程元件使用，但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不報這些未用的輸入繼電器作為它用。 2.輸出繼電器位于PLC存儲器的輸出過程映像寄存器（Process-Image Outout Register）區(qū)，都有一個PLC上的物理輸出端子與之對應(yīng)。當(dāng)通過程序使得輸出繼電器線圈得電時，PLC上的輸出端開關(guān)閉合，可以作為控制外部負(fù)載的開關(guān)信號。同時在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些內(nèi)部的觸點可以在編程時任意使用，使用次數(shù)不受限制。 在每個掃描周期的輸入采樣、程序執(zhí)行等階段，并不把輸出結(jié)果信號直接送到輸出繼電器，而只是輸出映像寄存器；只有在每個掃描周期的最后階段才將輸出映像寄存器中的結(jié)果同時送到輸出鎖存器，對輸出點進(jìn)行刷新。實際輸出點數(shù)不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量，未用的輸出映像寄存器可做它用；但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不使用這些未用的輸出繼電器。 3.通用輔助繼電器（或中間繼電器）位PLC存儲器的位存儲器（Bit Memory Area）區(qū)，其作用和繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相同，它在PLC中沒有外部的輸入端子或輸出端子與之對應(yīng)，因此它不能受外部信號的直接控制，其觸點也不能直接驅(qū)動外部負(fù)載。這是它與輸入繼電器和輸出繼電器的主要區(qū)別。它主要用來在程序設(shè)計中處理邏輯控制任務(wù)。 4.變量存儲器（Variable Memory）用來存儲變量的值，他可以存放程序執(zhí)行過程中的控制邏輯操作的中間結(jié)果，也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)或值可以是數(shù)值，也可以是“1”或“0”這樣的位邏輯值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時或使用大量的存儲單元邏輯時，變量存儲器會經(jīng)常使用。 5.定時器(Timer)是可編程序控制器中重要的編程元件，是累計時間增量的內(nèi)部器件。電氣自動控制的大部分領(lǐng)域都需要用定時器進(jìn)行時間控制，靈活地使用定時器可以編制出復(fù)雜動作的控制程序。 定時器的工作過程與繼電接觸控制系統(tǒng)的時間繼電器基本相同，但他沒有瞬動觸點。使用時要提前輸入時間預(yù)設(shè)值，當(dāng)定時器的輸入條件滿足時開始計時，當(dāng)前值從0開始按一定的時間單位增加；當(dāng)定時器的當(dāng)前值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，定時器觸點動作。利用定時器的觸點就可以完成所需要的定時控制任務(wù)。 第4章電機(jī)和傳感器選擇 4.1電機(jī)選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動器參數(shù)如下表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接及工作原理，如圖4-2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅(qū)動器可以很方便的對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動器信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖4-2中1.5K電阻）。驅(qū)動器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點來控制驅(qū)動器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電 表4-1 電氣規(guī)格 說明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 0.21 1 1.50 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時間 5 — 1 μs 表4-2 電流設(shè)定 細(xì)分倍數(shù) 步數(shù)/圈（1.8Ｏ整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部確定 動態(tài)改細(xì)分/禁止工作 OFF OFF OFF 表4-3 接線信號描述 信 號 功 能 PUL 脈沖信號：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時電機(jī)走一步 DIR 方向信號：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL平驅(qū)動 OPTO 光耦驅(qū)動電源 ENA 使能信號：禁止或允許驅(qū)動器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極，典型值+24V A+ 電機(jī)A相 A- 電機(jī)A相 B+ 電機(jī)B相 B- 電機(jī)B相 時，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動器光耦導(dǎo)通，當(dāng)PLC輸出線圈失電時，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動器，而采用PLC輸出觸點直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，會占用很多的輸出觸點，同時給編程帶來不便。 圖4-1 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接及工作原理 4.2傳感器選擇 本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?；蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器），通過調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座 圖4-2 傳感器工作原理圖 和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來限位，并通過改變行程開關(guān)的位置來調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍。 1、接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號，當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如上圖所示。 2、行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時，常開點閉合。 第5章控制部分設(shè)計 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。 分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反復(fù)使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復(fù)使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。 對動作復(fù)雜的機(jī)械手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(huán)。 5.1電機(jī)正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn) 由于搬運機(jī)械手的工作是一種往復(fù)運動，就要求電動機(jī)能可逆運行。由電動機(jī)原理可知，三相異步電動機(jī)的三相電源進(jìn)線中任意兩相對調(diào)，電動機(jī)即可反向運轉(zhuǎn)。因此，可借助接觸器改變定子繞組相序來實現(xiàn)正反向的切換工作，其線路如圖5-1所示。 當(dāng)出現(xiàn)誤操作，即同時按正反向啟動按鈕SF2和SF3時，若采用5-1（a）所示線路，將造成短路故障，如圖中虛線所示因此正反相間需要有一種連鎖關(guān)系。通常采用圖5-1（b）所示的電路，將其中的一個接觸器的常閉觸點串入另一個接觸器線圈電路，則任一接觸器線圈先帶電后，即使按下相反方向按鈕，另一接觸器也無法得電。這種連鎖通常稱作互鎖，即兩者存在相互制約的關(guān)系。工程上通常還使用帶有機(jī)械互鎖的可逆接觸器，進(jìn)一步保證兩者不能同時通電，提高可靠性。 圖5-1（b）所示的電路要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)運行，必須先停止正轉(zhuǎn)運行，再按反向啟動按鈕才行，反之亦然。所以這個電路稱作“正-停-反”控制。圖5-1（c）所示的電路可以實現(xiàn)不按停止按鈕，直接按方向按鈕就能使電動機(jī)反向工作。這個電路稱作“正-反-?！笨刂啤? 在這里我們選擇圖5-1（c）所示的電路圖。 圖5-1正反向工作的控制線路 5.2 PLC程序編寫 （1）輸入/輸出點地址分配 輸入點： 輸出點： 啟動按鈕SF1 I0.0 原始位置指示燈PG Q0.0 停止按鈕SF2 I0.1 抓放物體手指MB Q0.1 上限位開關(guān)BG1 I0.2 下行接觸器QA1 Q0.2 下限位開關(guān)BG2 I0.3 上行接觸器QA2 Q0.3 左限位開關(guān)BG3 I0.4 右行接觸器QA3 Q0.4 右限位開關(guān)BG4 I0.6 左行接觸器QA4 Q0.5 （2）系統(tǒng)功能如圖5-2所示，梯形圖如圖5-3所示，語句表如圖5-4所示。 （3）簡要說明 a．在機(jī)械臂上、下、左、右行走的控制中，使用了一個軟件連鎖粗點，替代了SM0.0. b.S7-200PLC的順控指令不支持直接輸出（=）的雙線圈操作。如果在圖5-2中的狀態(tài)S0.1的SCR段有Q0.2（下行）輸出，在狀態(tài)S1.0的SCR段也有Q0.2輸出，則不管在什么情況下，在前面的Q0.2永遠(yuǎn)不會有效。這是S7-200PLC順控指令設(shè)計方面的缺陷，給用戶的使用帶來了極大的不便。所以在使用S7-200PLCD的順控指令時一定不要有雙線圈輸出。為解決這個問題，可采用中間繼電器邏輯過渡一下。凡是有重復(fù)使用的相同輸出驅(qū)動，在SCR段中先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯，在程序的最后再進(jìn)行合并輸出處理。但左行時只有在狀態(tài)S1.3中用到了Q0.5，所以就不用中間過渡處理了。 圖5-2 機(jī)械臂裝置功能圖 圖5-3機(jī)械臂裝置梯形圖 圖5-4 機(jī)械臂裝置語句表 5.3 PLC程序調(diào)試 由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運行。因此，討論PLC設(shè)計調(diào)試就具有十分重要的意義。 1、 輸入接線 （1）輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當(dāng)長些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強(qiáng)。 2、電源接線 電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。 PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。由于本設(shè)計使用的是STEP7系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。 3、接地 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 在程序調(diào)試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時，剛開始由于對STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機(jī)械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調(diào)試程序時，機(jī)械手動作不符合控制要求。經(jīng)過不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。機(jī)械手運行良好，動作正確、符合控制要求。 第6章 總 結(jié) 在本次課題設(shè)計中，機(jī)械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，使用PLC進(jìn)行控制可方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。通過本次設(shè)計，可以根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機(jī)械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。 可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性，在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計中起了非常重要的作用，但在PLC控制的過程中還有許多的問題需要解決，本人在設(shè)計的過程中遇到了許多的問題，但經(jīng)過努力和查找個方面的資料最終都解決了。該搬運機(jī)械手充分利用了自動化技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用工況的情況，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像搭積木一樣進(jìn)行組合。這是一種先進(jìn)的設(shè)計思想，反映了自動化技術(shù)未來的發(fā)展方向，也將始終貫穿于機(jī)械手的開發(fā)及應(yīng)用中。該機(jī)械手既可以用于專用的場合，又可以作為通用機(jī)械手用于其它的工業(yè)場合，手部可以按需要配置其它機(jī)構(gòu)，適用范圍較廣 主要參考文獻(xiàn) [1]王本軼. 機(jī)床設(shè)備控制基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 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[10] http://epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx 致 謝 時光的流逝也許是客觀的，然而流逝的快慢卻純是一種主觀的感受。當(dāng)自己 終于可以從考研、找工作、畢業(yè)論文的壓力下解脫出來，長長地吁出一口氣時， 我忽然間才意識到，原來四年已經(jīng)過去，到了該告別的時候了。一念至此，竟有些恍惚，所謂白駒過隙、百代過客云云，想來便是這般惆悵了?？墒菒澣恢?總要說些什么。大學(xué)四年，生活其實很簡單，只是一些讀書、寫字和考試的周而復(fù)始。如果把這種單調(diào)的生活看作一場場循環(huán)的演出，那么我只是一個安靜的演員。這篇畢業(yè)論文也稱不上什么精彩的臺詞，只不過是這種循環(huán)演出即將告一段落時的謝幕詞。但是無論多么蹩腳的演員，無論臺下有多少觀眾，即使是只說給自己聽，在他謝幕時也總要感激一些人，是這些人幫助他走上舞臺，成功或者不那么成功地“演出”。我在這里首先要感謝的是我的學(xué)位論文指導(dǎo)老師——徐志遠(yuǎn)老師。這篇畢業(yè)論文從開題、資料查找、修改到最后定稿，如果沒有他的幫助，尚不知以何等糟糕的面目出現(xiàn)。我很自豪有這樣一位老師，他值得我感激和尊敬。 感謝和我共度四年美好大學(xué)生活的2010級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化四班的全體同學(xué)。感謝興湘學(xué)院所有授課老師，你們使我終身受益。感謝所有關(guān)心、鼓勵、支持我的家人、親戚和朋友。 37