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1、 畢業(yè)論文 題目名稱：機械手控制 系部名稱：機電工程系 班 級：機電一體化二班 學 號：0000 學生姓名：XX 指導教師：XX 2011年 11月 機械手控制 摘 要 生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)力的高速發(fā)展，要求現(xiàn)代化企業(yè)必須有更高的生產(chǎn)效率，更高的自動化程度及其安全可靠性。機械手可以實現(xiàn)多工步的自動換裝，使用可靠安全，通過程序更換就可以實現(xiàn)功能升級。機械手在擴大生產(chǎn)范圍，縮短新產(chǎn)品的試制周期，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，降低成本和減輕工人勞動強度起到重要作用。 由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學

2、技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產(chǎn)自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸

3、送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。 關鍵詞： 工業(yè)自動化; 機械化; FMS; FMC; 機械手研究開發(fā) 目 錄 摘 要 I 一、 機械手發(fā)展經(jīng)歷及主要構(gòu)成 1 （一）發(fā)展歷史 1 （二）構(gòu)成部分 1 （三）機械手分類 1 （四）多關節(jié)機械手的優(yōu)勢 2 （五）機械手發(fā)展大事記 2 二、西門子公司及S7-200

4、主要參數(shù)功能介紹 2 （一）適用范圍 2 （二）模擬電位器 3 （三）脈沖輸出 3 （四）電池模塊 3 （五）各型號的優(yōu)點 3 三、機械手設計要求及功能 4 （一） 控制要求 4 （二） 機械手運行方式 4 1. 調(diào)整工作方式 4 2. 連續(xù)工作方式 4 3. 單周工作方式 4 4. 步進工作方式 5 （三）程序設計要點 5 （四）程序結(jié)構(gòu)框圖 5 四、基于S7-200的機械手PLC控制程序 6 五、分析該設計優(yōu)缺點 6 致謝 7 參考資料 8 ? 7 ? 鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學院機電系畢業(yè)論文 機械手控制 一、 機械手發(fā)展經(jīng)歷及主要構(gòu)成

5、 機械手是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。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人。 （一）發(fā)展歷史 機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATIO

6、N公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成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安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 (二）構(gòu)成部分 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)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(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)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

7、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(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(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。同時接收傳感器反饋的信息，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(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。 （三）機械手分類 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 （4） 多關節(jié)機械手的優(yōu)勢 多關節(jié)機械手的優(yōu)點是:動

8、作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對多關節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關節(jié)數(shù)量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場合有所變化，多關節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關節(jié)機械手所不能比擬的。 （5） 機械手發(fā)展大事記 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。（電磁鐵工件抓放機構(gòu)） 1962年，美國聯(lián)合控制公司試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-V

9、icarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，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)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 二、西門子公司及S7-200主要參數(shù)功能介紹 西門子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI）是世界最大的機電類公司之一，1847年由維爾納馮西門子建立。如今，它的國際總部位于德國慕尼黑。西門子股份公司是在法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所上市的公司。2005年，西門子全集團在190個國家和地區(qū)雇用員工460,800人，全球收入為754.45億歐元（2004年為702.37億歐元），稅后利潤較

10、2004年的36.6億歐元降至24.2億歐元。 西門子是一家大型國際公司，其業(yè)務遍及全球190多個國家，在全世界擁有大約600家工廠、研發(fā)中心和銷售辦事處。公司的業(yè)務主要集中于6大領域：信息和通訊、自動化和控制、電力、交通、醫(yī)療系統(tǒng)和照明。西門子的全球業(yè)務運營分別由13個業(yè)務集團負責，其中包括西門子財務服務有限公司和西門子房地資產(chǎn)管理集團。此外，西門子還擁有兩家合資企業(yè)——博士－西門子家用電器集團和富士通計算機（控股）公司。 S7-200 是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連

11、成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 （一）適用范圍 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。 （2） 模擬電位器 CPU221/222 1個 CPU224/224XP/22

12、6 2個 （三）脈沖輸出 2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。 （4） 電池模塊 用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 （五）各型號的優(yōu)點 CPU221 本機集成6輸入/4輸出共10個數(shù)字量I/O點。無I/O擴展能力。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有

13、PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 CPU222 本機集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點?？蛇B接2個擴展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點數(shù)控制的微型控制器。 CPU224 本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立

14、的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。 CPU224XP 本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易

15、地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 三、機械手設計要求及功能 機械手模擬控制窗口如圖所示。圖中機械手可抓緊、放送工件，可上下、左右移動，模擬界面的右側(cè)為按控制要求設計的操作臺。 （1） 控制要求 機械手設有調(diào)整、連續(xù)、單周及步進四種工作方式，工作時要首先選擇工作方式，然后操作對應按鈕。 （2） 機械手運行方式 1. 調(diào)整工作方式 可按相應按鈕實現(xiàn)左移、右移、上移、下移、加緊、放松各個動作的單獨調(diào)整。 2. 連續(xù)工作方式 按下起動按鈕，機

16、械手按下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的順序周而復始的連續(xù)工作；按下停止按鈕，機械手將自動結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。 3. 單周工作方式 按下起動按鈕后，機械手按下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的順序自動工作一個周期停止。若要再工作一個周期，可再次按下起動按鈕。按下停止按鈕，機械手將自動結(jié)束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。 4. 步進工作方式 每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。按下急停按鈕，系統(tǒng)立即停車。 （3） 程序設計要點 由機械手的工作過程可知，這是一個典型的順序控

17、制系統(tǒng)。為此，可從機械手的連續(xù)工作方式入手編寫程序。首先應繪出連續(xù)工作時的功能表圖，然后直接列寫邏輯表達式，用觸點線圈指令編程，也可使用置位復位指令或順序控制繼電器指令來完成。為了將每一步的工作狀態(tài)顯示出來，動畫模擬軟件使用了內(nèi)部存儲器位M51、M52、M53、M54、M55、M56、M57、M40、M41來分別表示①～⑧的運行狀態(tài)。編程過程中，需要注意特別處理的問題是①、⑤和③、⑦步的動作問題，雖然①、⑤步都是下降操作，但卻具有不同的意義，①步下降是空鉤下降，而⑤步下降則是夾著工件下降。③、⑦步的上升操作也是這樣。 單周期操作的程序?qū)崿F(xiàn)可在連續(xù)工作程序的基礎上通過經(jīng)驗修改實現(xiàn)。其要點是是

18、設法阻止機械手在一個周期工作結(jié)束后自動進入下一周期，一般在下降的啟動回路想辦法。 單步操作的實現(xiàn)與單周期工作的實現(xiàn)是相似的。即設法在每一步工作結(jié)束后，不是直接啟動下一步的工作，而是等待啟動按鈕的命令后再工作。 （四）程序結(jié)構(gòu)框圖 圖3.4.1 4、 基于S7-200的機械手PLC控制程序 五、分析該設計優(yōu)缺點 該設計方式初步滿足了設計要求，實驗證明能夠按照設定的工作方式穩(wěn)定運行。以上是在同一個順序控制程序中完成的連續(xù)工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路，實際上也可以采用分段跳轉(zhuǎn)的辦法來完成這

19、三種操作。這種方法編制的程序結(jié)構(gòu)清晰，但程序數(shù)量長于前一種方法。 致謝 歲月如梭，如歌。轉(zhuǎn)眼間，三年的大學求學生活即將結(jié)束，站在畢業(yè)的門檻上，回首往昔，奮斗和辛勞成為絲絲的記憶，甜美與歡笑也都塵埃落定。鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學院以其優(yōu)良的學習風氣、 嚴謹?shù)目蒲蟹諊涛仪髮W，以其博大包容的情懷胸襟、浪漫充實的校園生活育我成人。值此畢業(yè)論文完成之際， 我謹向所有關心、愛護、幫助我的人們表示最誠摯的感謝與最美好的祝愿。本論文是在講師XX老師的悉心指導之下完成的。三年來，老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，樸實 無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。老師不

20、僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻賦予我終生受益無窮之道。本論文從選題到完成，幾易其稿，每一步都是在XX老師的指導下完成的，傾注了老師大量的心血，在此我向我的老師XX表示深切的謝意與祝福！本論文的完成也離不開其他各位老師、同學和朋友的關心與幫助。在此也要感謝XX等各位老師在論文開題、初稿、預答辯期間所提出的寶貴意見，感謝機電工程系為本論文提供的數(shù)據(jù)和建議，還要感謝同門的師兄師妹們，在論文創(chuàng)作過程中給我以許多鼓勵和幫助?；叵胝麄€論文的寫作過程，雖有不易， 卻讓我除卻浮躁，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會了堅持的精髓和意義， 因此倍感珍惜。 最后，再次感謝所有關心和支持我的同學們和老師們！ 參考資料 [1] 林偉. 典型機電一體化系統(tǒng)及應用[M] 高等教育出版社 [2] 陳遠玲、黎亞元、富國強 機床電氣自動控制[M] 重慶大學出版社 [3] 王承義 機械手及其應用[M] 機械工業(yè)出版社 [4] 王建明 自動線與工業(yè)機械手技術(shù)[M] 天津大學出版社 [5] 楊后川、高建設 西門子S7-200PLC應用100例[M] 電子工業(yè)出版社 [6] 肖峰、賀哲榮 PLC編程100例[M] 中國電力出版社