機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于plc的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義</p><p

2、>　　工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、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。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械

3、裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機(jī)器人。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工

4、業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。</p><p>　　機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，可

5、在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。</p><p>　　機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它具有的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝的要求；遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和卸載；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行輝接和裝配；其四，機(jī)械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。因此，它能大大地

6、改善工人的勞動(dòng)條件，保障工人人身安全，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。</p><p>　　因而,機(jī)械手受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視,并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染性的場所,應(yīng)用更為廣泛。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，機(jī)械手在世界范圍內(nèi)得以廣泛應(yīng)用。因而對(duì)機(jī)械手的控制要求也越來越高，

7、若用傳統(tǒng)的繼電器控制方案進(jìn)行控制，勢必造成系統(tǒng)元件多,接線繁雜、穩(wěn)定性差、故障率高,給工業(yè)生產(chǎn)帶來很多不便。針對(duì)這些問題如果采用性能價(jià)格比高的可編程序控制器PLC設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，可使該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性高、故障率低、維修方便,取得良好的工作效果[1]。</p><p>　　Programmable Logical Controller簡稱為PLC。但近年來,PLC米用微處理器</p><p>

8、;　　作為中央處理單元，不僅有邏輯控制功能,還有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理甚至通</p><p>　　信聯(lián)網(wǎng)功能，正確應(yīng)稱為PC，但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)有所區(qū)別,仍稱其為PLC。</p><p>　　PLC有以下幾大優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。工業(yè)生產(chǎn)一般對(duì)控制設(shè)備的可靠性要求很高，并且要有很強(qiáng)的抗干擾能力。PLC能在惡劣的環(huán)境中可靠的工作，平均

9、無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上，已被公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。</p><p>　　PLC本身具有較強(qiáng)的自診斷功能，保證硬件核心設(shè)備（CPU、存儲(chǔ)器、I/O總線等）在正常情況下執(zhí)行用戶程序，一旦出現(xiàn)故障則立即給出出錯(cuò)信號(hào)，停止用戶程序的執(zhí)行，切斷所有輸出信號(hào)，等待修復(fù)。PLC的主要模塊均采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路。在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有精確的考慮，

10、在硬件上采用隔離，屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施，在軟件上采用數(shù)字濾波等措施。與繼電器系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)相比，PLC更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求。</p><p>　　(2)硬件配套齊全，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)</p><p>　　PLC是通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)控制的。當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，只要修改程序即可，最大限度地縮短了工藝更新所需要的時(shí)間。PLC的產(chǎn)品已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，而且PLC及配套產(chǎn)品的模

11、塊品種多，用戶可以靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置組合成各種不同規(guī)模、不同功能的控制系統(tǒng)。在PLC控制系統(tǒng)中，只需在PLC的端子上接入相應(yīng)的輸入/輸出信號(hào)線即可，不需要進(jìn)行大量且復(fù)雜的硬接線，并且PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器。</p><p>　　(3)編程直觀、易學(xué)易會(huì)</p><p>　　PLC提供了多種編程語言，其中梯形圖使用最普遍。PLC是面向用戶的設(shè)備，P

12、LC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，因此PLC程序的編制采用梯形圖的簡單指令形式。梯形圖與繼電原理圖相似，這種編程語言形象直觀，易學(xué)易懂，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語言，現(xiàn)場工程技術(shù)人員可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)使用。用戶在購買PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和進(jìn)行簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。</p><p>　　(4)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便

13、60;</p><p>　　PLC用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大為減少。同時(shí)PLC的用戶程序大部分可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，模擬調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，既安全，又快捷方便。 </p><p>　　PLC的故障率很低，并且有完善的自診斷和顯示功能。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)PLC的狀態(tài)指示

14、燈顯示或編程器提供的信息迅速查找到故障原因，排除故障。</p><p>　　(5)體積小，能耗低 </p><p>　　由于PLC采用了半導(dǎo)體集成電路，其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、便于安裝，是機(jī)電一體化的理想控制器。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，采用PLC后，一般可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/10--1/2[2]。</p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展

15、趨勢</p><p>　　1.2.1機(jī)械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　機(jī)械手目前多數(shù)應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料,以及點(diǎn)輝、噴漆等作業(yè),它可按事先制訂的程序完成操作,但普通不具備傳感反饋能力,不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí),將引起零件甚至機(jī)械手本身的損壞。目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大,技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時(shí)間較短,人們對(duì)它有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過程,機(jī)械手在技術(shù)上還

16、有一個(gè)逐步完善的過程:</p><p>　　(1)擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用</p><p>　　目前國內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多,而在鑄、鍛、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等,給機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制造帶來不少困難,這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn),使機(jī)械手更好地為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時(shí),在其它行業(yè)和工業(yè)部門,也將隨著工業(yè)技術(shù)水平

17、的不斷提高,而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。</p><p>　　(2)提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能</p><p>　　機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣,決定著它能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)中。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個(gè)指標(biāo),是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好機(jī)械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求,除了從解決緩沖定位措施入手外,還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求價(jià)格低廉的電液伺服閥,將伺

18、服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手上。</p><p>　　(3)發(fā)展組合式機(jī)械手</p><p>　　從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來說,可變程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新,多品種小批量的要求,但是它的成本高,專用機(jī)械手價(jià)格低廉,但適用范圍又受到限制。因此,對(duì)一些特殊用途的場合,就需要專門設(shè)計(jì)、專門加工,這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域分門別類的要求,可將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以組合的型式。組合式機(jī)械

19、手是將一些通用部件(如手臂伸縮部件,升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部份等)根據(jù)作業(yè)的要求,選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件,以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合,配上與其相適應(yīng)的控制部分,即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。它可以簡化結(jié)構(gòu),兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性,便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組織專業(yè)化生產(chǎn),有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià),是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。</p><p>　　(4)研制具有“視覺”和“觸覺”

20、的所謂“智能機(jī)器人”</p><p>　　對(duì)于需用人工進(jìn)行靈巧操作及需要進(jìn)行判斷的工作場合,工業(yè)機(jī)械手很難代替人的勞動(dòng)。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等,機(jī)械手不能自動(dòng)分辨糾正,而只能停機(jī),待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此,人們對(duì)機(jī)械手提出了更高的要求,希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能,使之對(duì)物件進(jìn)行判斷、選擇,能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的條件,并能進(jìn)行“手、腳”協(xié)調(diào)動(dòng)作。這就需要一個(gè)能處理大量信息的

21、計(jì)算機(jī),要求人與機(jī)器“對(duì)話”進(jìn)行信息交流。這種帶“視覺"、觸覺”反饋的,由計(jì)算機(jī)控制的,具有人的部分“智能”的機(jī)械裝置稱為“智能機(jī)器人”。所謂“智能”是包括識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、分析判斷的功能。而識(shí)別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認(rèn)識(shí)對(duì)象的。具有感覺功能的機(jī)器人,其工作性能是比較完善的,能夠準(zhǔn)確地夾持任意方位的物件,判斷物件重量,越過障礙物進(jìn)行工作,自動(dòng)測出夾緊力大小,并能自動(dòng)調(diào)節(jié),適用于從事復(fù)雜、精密的操作

22、,如裝配作業(yè)等,它有著一定的發(fā)展前途。</p><p>　　智能機(jī)器人是一種新興的技術(shù),對(duì)它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間機(jī)構(gòu)和仿生機(jī)械學(xué)等學(xué)科。它是當(dāng)代自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)新興的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能機(jī)器人將會(huì)代替人做更多的工作。為此,機(jī)械手發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手,設(shè)它擁有一定的傳感能力,能反饋外界條件的變化作相應(yīng)的變更,如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)即能更正,并自行檢測。

23、重點(diǎn)是研究“感覺”功能,將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合,從而根本改變目前的機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)[3]。</p><p>　　1.2.2 PLC的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　微處理器技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展十分迅猛，功能更強(qiáng)大，價(jià)格更便宜，研發(fā)的微處理器針對(duì)性更強(qiáng)。這為可編程序控制器的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。大型可編程序控制器大多采用多CPU結(jié)構(gòu)，不斷地向高性能、高速

24、度和大容量方向發(fā)展。可編程序控制器PLC目前的主要應(yīng)用方面: </p><p><b>　　(1)邏輯控制</b></p><p>　　可編程序控制器具有“與”、“或”、“非”等邏輯運(yùn)算的能力，可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，用觸點(diǎn)和電路的串、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制，定時(shí)控制與順序邏輯控制。數(shù)字量邏輯控制可以用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，其應(yīng)用領(lǐng)域最為普及，包括微電

25、子、家電行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　(2)運(yùn)動(dòng)控制</b></p><p>　　可編程序控制器使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，或靈活運(yùn)用指令，使運(yùn)動(dòng)控制與順序控制功能有機(jī)地結(jié)合在一起。隨著變頻器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器的普遍使用，可編程序控制器可以與變頻器結(jié)合，運(yùn)動(dòng)控制功能更為強(qiáng)大，并廣泛地用于各種機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、裝配機(jī)械、機(jī)器人、電梯等場合。</p&

26、gt;<p><b>　　(3)過程控制</b></p><p>　　可編程序控制器可以接收溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量，通過模擬量I/0模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量(Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，并對(duì)被控模擬量實(shí)行閉環(huán)PID（比例-積分-微分）控制。現(xiàn)代的大中型可編程序控制器一般都有PID閉環(huán)控制功能，此功能已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、加熱爐、

27、鍋爐等設(shè)備，以及輕工、化工、機(jī)械、冶金、電力、建材等行業(yè)。</p><p><b>　　(4)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　可編程序控制器具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以是運(yùn)算的中間參考值，也可以通過通信功能傳送到別的智能裝置，或者將它們保存、打印。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人柔性制造

28、系統(tǒng)，也可以用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。</p><p>　　(5)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制。</p><p>　　可編程序控制器的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I/0之間的通信、多臺(tái)可編程序控制器之間的通信、可編程序控制器和其他智能控制設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、變頻器)之間的通信?？删幊绦蚩刂破髋c其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。</p>

29、<p>　　在模擬量控制方面，除了專門用于模擬量閉環(huán)控制的PID指令和智能PID模塊，某些可編程序控制器還具有模糊控制、自適應(yīng)、參數(shù)自整定功能，使調(diào)試時(shí)間減少，控制精度提高[4]。</p><p>　　PLC的發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1)向普及化方向發(fā)展</p><p>　　由于微型可編程序控制器的價(jià)格便宜，體積小、重量輕、能耗低

30、，很適合于單機(jī)自動(dòng)化，它的外部接線簡單，容易實(shí)現(xiàn)或組成控制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　(2)向模塊化、智能化發(fā)展</p><p>　　可編程序控制器采用模塊化的結(jié)構(gòu)，方便了使用和維護(hù)。智能I/O模塊主要有模擬量I/O、高速計(jì)數(shù)輸人、中斷輸入、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、熱電偶輸入、熱電阻輸入、條形碼閱讀器、多路BCD碼輸人/輸出、模糊控制器、PID回路控制、通信等模塊

31、。智能I/O模塊本身就是一個(gè)小的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有很強(qiáng)的信息處理能力和控制功能，有的模塊甚至可以自成系統(tǒng)，單獨(dú)工作。它們可以完成可編程序控制器的主CPU難以兼顧的功能，簡化了某些控制領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程，提高了可編程序控制器的適應(yīng)性和可靠性。</p><p><b>　　(3)向軟件化發(fā)展</b></p><p>　　編程軟件可以對(duì)可編程序控制器控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即

32、設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號(hào)、模塊的參數(shù)、各串行通信接口的參數(shù)等。在屏幕上可以直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換?？删幊绦蚩刂破骶幊誊浖姓{(diào)試和監(jiān)控功能，可以在梯形圖中顯示觸點(diǎn)的通斷和線圈的通電情況，查找復(fù)雜電路的故障非常方便。歷史數(shù)據(jù)可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)或Modem卡，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。</p><p>　　(4)向通

33、信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展</p><p>　　伴隨科技發(fā)展，很多工業(yè)控制產(chǎn)品都加設(shè)了智能控制和通信功能，如變頻器、軟啟動(dòng)器等。可以和現(xiàn)代的可編程序控制器通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制功能。通過雙絞線、同軸電纜或光纖聯(lián)網(wǎng)，信息可以傳送到幾十公里遠(yuǎn)的地方，通過Modem和互聯(lián)網(wǎng)可以與世界上其他地方的計(jì)算機(jī)裝置通信。</p><p>　　相當(dāng)多的大中型控制系統(tǒng)都采用上位計(jì)算機(jī)加可編程序控制器的方案，通過串行通信

34、接口或網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與可編程序控制器交換數(shù)據(jù)信息。組態(tài)軟件引發(fā)的上位計(jì)算機(jī)編程革命，很容易實(shí)現(xiàn)兩者的通信，降低了系統(tǒng)集成的難度，節(jié)約了大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性。國際上比較著名的組態(tài)軟件有Intouch、Fix等，國內(nèi)也涌現(xiàn)出了組態(tài)王、力控等一批組態(tài)軟件。有的可編程序控制器廠商也推出了自己的組態(tài)軟件，如西門子公司的WINCC[5]。</p><p><b>　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)&l

35、t;/b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)方案分析</b></p><p>　　在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中常用的控制系統(tǒng)：傳統(tǒng)繼電器——接觸器控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)這三種。本設(shè)計(jì)選用PLC控制系統(tǒng),因?yàn)槠渚哂懈玫氖褂眯?、?jīng)濟(jì)性、可靠性、通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，。當(dāng)機(jī)械手動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。</p&g

36、t;<p>　　機(jī)械手的設(shè)計(jì)最終目的是可以完成工件的傳輸，主要?jiǎng)幼魇窍陆?、夾緊、上升、左移、下降、放松、上升、右移回原位和工序延時(shí)控制，控制動(dòng)作基本上是以簡單的順序邏輯動(dòng)作為主，屬于典型的繼電邏輯順序動(dòng)作控制系統(tǒng)。選用兩自由度的機(jī)械手</p><p>　　即可完成在平面內(nèi)任意位置抓取物體并移到下一工位[6]。</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p>

37、<p>　　通過分析機(jī)械手選擇二自由度即可滿足需求。本設(shè)計(jì)中機(jī)械手采用上下升平面結(jié)構(gòu)，一個(gè)循環(huán)周期可分為八個(gè)工步。機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、單動(dòng)、手動(dòng)[7]。</p><p>　?。?）自動(dòng)控制。一旦系統(tǒng)啟動(dòng)之后，就可以按照工程要求進(jìn)行控制。整個(gè)控制過程無人干預(yù)。一個(gè)循環(huán)之后可以自啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán)。由于整個(gè)過程無需人工干預(yù)，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出要求都很嚴(yán)格，系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)尤為重要。</p&g

38、t;<p>　?。?）單動(dòng)控制。這種控制的特點(diǎn)是，一旦控制系統(tǒng)被啟動(dòng)起來之后，控制過程將自動(dòng)完成。不需要人工去干預(yù)。但是，當(dāng)一個(gè)周期完成以后，它會(huì)停止而不會(huì)繼續(xù)啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。如果系統(tǒng)需要再次啟動(dòng)則必須再次人工啟動(dòng)。所以又把這種控制叫半自動(dòng)控制。這種控制在實(shí)際控制中很常見，它比手動(dòng)控制方便，速度也很快。雖然它比自動(dòng)控制速度慢些，在控制過程中進(jìn)行參數(shù)的修改、調(diào)整比自動(dòng)控制更方便。</p><p>　　（

39、3）手動(dòng)控制?？刂七^程主要靠手動(dòng)去實(shí)現(xiàn)。只是有個(gè)別環(huán)節(jié)，如連鎖保護(hù)、過限保護(hù)等環(huán)節(jié)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)控制是一種最基本的控制方法，特別是系統(tǒng)在調(diào)試和維修過程中必不可少。</p><p>　　如圖2.1所示，為機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用電機(jī)正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手的上下移動(dòng)和左右移動(dòng)。用限位開關(guān)來控制小車的位置，從而把工件從工作臺(tái)A移到工作臺(tái)B[8]。</p><p>　　I0.6左限位I0.7右限位&

40、lt;/p><p><b>　　I0.4上限位</b></p><p><b>　　夾緊</b></p><p><b>　　放松</b></p><p><b>　　I0.5下限位</b></p><p><b>　　工件&

41、lt;/b></p><p>　　圖2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，則機(jī)械手的控制面板如下圖，圖2.2?？刂泼姘宓脑O(shè)計(jì)可便于按鍵的選擇，其分為左右兩部分。左為控制方式，右為手動(dòng)控制按鈕。當(dāng)選擇了手動(dòng)控制后，可根據(jù)需要通過右部分控制對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)按停止鍵時(shí)，所有的程序都停止[9]。</p><p>　　圖2.2 機(jī)械手控制面

42、板設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1.2控制要求</b></p><p><b>　　機(jī)械手的順序控制：</b></p><p>　　(1)下降：當(dāng)傳送帶上有工件時(shí)，機(jī)械手由原點(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)接通夾緊電磁閥線圈。</p><p>　　(2)夾緊工件

43、：當(dāng)機(jī)械手夾緊到位時(shí)，夾緊工件并延時(shí)十秒，然后機(jī)械手上升</p><p>　　(3)上升：當(dāng)工件被夾緊時(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。</p><p>　　(4)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)，碰到右極限開關(guān)，機(jī)械手停止右移</p><p>　　(5)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

44、下極限開關(guān)，機(jī)械手停止下降，同時(shí)斷開夾緊電磁閥。</p><p>　　(6)放松工件：當(dāng)下降停止時(shí)，斷開夾緊電磁閥，放開工件并延時(shí)十秒。</p><p>　　(7)上升：工件松開后，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。</p><p>　　(8)左移：當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)，碰到上極限開關(guān)，機(jī)械手停止上升，同時(shí)機(jī)械手開始左移，當(dāng)左移碰到左極限開關(guān)

45、時(shí)，機(jī)械手回到原位。</p><p>　　手回到原點(diǎn)，機(jī)械手工作一個(gè)周期完成，完成一次送料。機(jī)械手工作流程圖如下所示。</p><p><b>　　下限上限</b></p><p>　　啟動(dòng) 右限</p><p>

46、<b>　　左限上限下限</b></p><p>　　圖2.3 機(jī)械手工作流程圖</p><p>　　2.2 PLC的選型和連接</p><p>　　2.2.1輸入/輸出端子地址分派</p><p>　　從工藝要求中可以看出，從控制方式選擇上需要三個(gè)啟動(dòng)按鈕，分別完成自動(dòng)方式I0.0、單動(dòng)方式I0.1、手動(dòng)方式I0.

47、2的啟動(dòng)，還需要一個(gè)停止按鈕來處理在任何情況下的停止運(yùn)行。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)限位開關(guān)有四個(gè)，即上限位開關(guān)I0.4，下限位開關(guān)I0.5，左限位開關(guān)I0.6，右限位開關(guān)I0.7。手動(dòng)控制輸入信號(hào)由五個(gè)按鈕組成，下降按鈕I1.0，上升按鈕I1.1，夾緊按鈕I1.2，左移按鈕I1.3，右移按鈕I1.4。工作臺(tái)上有工件檢測的輸入信號(hào)I1.5,共有14個(gè)輸入信號(hào)[10]。</p><p>　　輸出信號(hào)有機(jī)械手下降驅(qū)動(dòng)信號(hào)，上升驅(qū)動(dòng)

48、信號(hào)，右移驅(qū)動(dòng)信號(hào)，左移驅(qū)動(dòng)信號(hào)和機(jī)械手夾緊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，原位指示信號(hào)，共有6個(gè)輸出信號(hào)。故輸入輸出表如下表2.1所示。</p><p>　　表2.1 機(jī)械手輸入/輸出分派表</p><p>　　2.2.2 PLC的選型</p><p>　　根據(jù)機(jī)械手的輸入/輸出分派可知，機(jī)械手共有14個(gè)輸入和6個(gè)輸出，故選擇cpu224可滿足要求。</p><p&

49、gt;　　cpu224：它有14輸入/10輸出，I/O共計(jì)24點(diǎn)。和cpu221和cpu222相比，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大一倍，它可以有7個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高數(shù)計(jì)數(shù)的處理能力，是使用的最多的s7—200產(chǎn)品。</p><p>　　圖2.4 cpu224實(shí)體圖</p><p>　　2.2.3 PLC接線圖</p><p>　　圖2.5 cpu224的外部

50、接線圖</p><p><b>　　3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)程序的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　S7-200的程序結(jié)構(gòu)有兩種，即線性結(jié)構(gòu)和分塊結(jié)構(gòu)。在程序設(shè)計(jì)中叫線性程序設(shè)計(jì)和分塊程序設(shè)計(jì)。由于線性程序結(jié)構(gòu)簡單不易用于分支較多的控制程序。所以選擇分塊程序設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　分塊程

51、序是根據(jù)工程特點(diǎn)，把一個(gè)復(fù)雜的控制工程分為多個(gè)比較簡單的、規(guī)模較小的控制任務(wù)。可以把這些控制任務(wù)分給一個(gè)一個(gè)子程序塊。在子程序中編制具體任務(wù)的控制程序，最后由主程序調(diào)用的方式把整個(gè)控制程序統(tǒng)管起來。</p><p>　　可以看出，分塊程序有更大的靈活性，適用于比較復(fù)雜、規(guī)模較大的控制工程的程序設(shè)計(jì)。由于具體任務(wù)的控制程序分別在各自的子程序中編制，而具體任務(wù)的控制程序相對(duì)來說都比較簡單，用比較簡單的線性程序就能夠?qū)?/p>

52、現(xiàn)，因而可以使程序的編制相對(duì)的容易。而且當(dāng)覺得用一個(gè)線性程序編制具體任務(wù)的控制程序還有困難時(shí)，可以在編制具體任務(wù)控制程序時(shí)，再一次使用分塊結(jié)構(gòu)程序編程，因而使編程簡單容易。另外分塊程序也給程序的調(diào)試帶來方便。由于程序是分塊的，調(diào)試程序也可以分塊進(jìn)行，等局部程序調(diào)試完之后，再總體合成，可以看出分塊程序便于測試。當(dāng)工藝發(fā)生變化時(shí)，只需要修改變化部分程序。分塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最廣泛。</p><p>　　機(jī)械手為具有多種工作

53、方式的復(fù)雜系統(tǒng)，首先將系統(tǒng)的程序按工作方式和功能分成若干部分，然后分別對(duì)每部分經(jīng)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　運(yùn)用這種編程思想可根據(jù)機(jī)械手的工作方式，將程序分為公用程序即主程序、手動(dòng)程序和自動(dòng)程序三個(gè)部分，其中自動(dòng)程序包括單動(dòng)和自動(dòng)的程序，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞫际前凑胀瑯拥捻樞蚪?jīng)行，將它們合在一起編程更加簡單。而手動(dòng)程序單獨(dú)編程有利于簡化程序[11]。</p><p>　　程序的總體結(jié)構(gòu)如圖3.

54、1所示。梯形圖中使用子程序調(diào)用指令使得手動(dòng)程序、自動(dòng)程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行。</p><p>　　圖3.1 機(jī)械手用梯形圖編程的總體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.2主程序的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主程序的梯形圖如下，當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，原位指示燈亮。則按自動(dòng)開關(guān)I0.0,、單動(dòng)開關(guān)I0.1或手動(dòng)控制開關(guān)I0.2，均實(shí)現(xiàn)自鎖，并調(diào)用各自

55、子程序。而自動(dòng)、單動(dòng)和手動(dòng)不可同時(shí)進(jìn)行，故彼此互鎖，確保安全。與此同時(shí)，當(dāng)自動(dòng)、手動(dòng)、單動(dòng)三個(gè)檔，由于誤操作按下任意兩個(gè)時(shí)PLC都停止工作[12]。</p><p>　　3.3自動(dòng)、單動(dòng)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1自動(dòng)控制、單動(dòng)流程圖 </p><p>　　圖3.2 自動(dòng)控制、單動(dòng)流程圖</p><p>　　3.3.2自動(dòng)、單

56、動(dòng)程序梯形圖</p><p>　　自動(dòng)、單動(dòng)的條件是機(jī)械手在原點(diǎn)，即上限位I0.4，左限位I0.6至1，并檢測到工作臺(tái)上有工件時(shí)，開始實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行。若機(jī)械手不在原點(diǎn)，可以先調(diào)到手動(dòng)控制檔，使機(jī)械手回到原位。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降Q0.0和上升Q0.1是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，故不可同時(shí)進(jìn)行，否者可能損壞電機(jī)，故在程序中設(shè)計(jì)互鎖。右移Q0.2、左移Q0.3同理，設(shè)置互鎖，確保安全。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和停止由它相鄰的兩個(gè)限

57、位開關(guān)控制。用兩個(gè)定時(shí)器T101、T102來控制夾緊放松的時(shí)間[13]。</p><p>　　3.4手動(dòng)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)控制方式選擇手動(dòng)時(shí)，按手動(dòng)開關(guān)下降I1.0、上升I1.1、夾緊I1.2、左移I1.3、右移I1.4則輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，當(dāng)遇到限位開關(guān)時(shí)，機(jī)械手停止[14]。</p><p>　　4系統(tǒng)的調(diào)試仿真及設(shè)計(jì)總結(jié)</

58、p><p><b>　　4.1系統(tǒng)調(diào)試仿真</b></p><p>　　系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件“STEP7-Micro/WIN32”環(huán)境進(jìn)行編程，該軟件是基于windows平臺(tái)的應(yīng)用軟件。是s7-200plc編程的專用軟件[15]。</p><p>　　圖4.1 STEP7-Micro/WIN32 4.0軟件</p>&l

59、t;p>　　用西門子PLC仿真器對(duì)程序進(jìn)行仿真，下圖為部分監(jiān)控仿真結(jié)果。</p><p>　　圖4.2 當(dāng)機(jī)械手在原位時(shí)</p><p>　　圖4.3當(dāng)機(jī)械手在左放松下降時(shí)</p><p>　　圖4.4 當(dāng)機(jī)械手在左抓緊工件上升</p><p><b>　　4.2設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p&

60、gt;　　基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用的很成熟,它是集機(jī)械、液壓、電子、控制等多學(xué)科于一體的控制系統(tǒng)。本文較完整的設(shè)計(jì)了二自由度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的控制系統(tǒng),具有普遍性和實(shí)用性。在可編程程序控制器(PLC)的控制下,實(shí)現(xiàn)把物料從一個(gè)工位傳送到下一個(gè)工位,能夠準(zhǔn)確的定位,可靠的完成各項(xiàng)動(dòng)作。在工作過程中可以通過PLC監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示出機(jī)械手的工作狀態(tài),這樣就可以方便對(duì)機(jī)械手的控制。在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中對(duì)機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)

61、用有了較全面的認(rèn)識(shí);熟悉了PLC在工業(yè)控制方面的運(yùn)用，在了解PLC基本工作原理基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)。對(duì)PLC的編程思路和方法有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和強(qiáng)化。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]黃偉.胡青龍.機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2008年</p><p>　　[2]程周.電氣控制與PL

62、C原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2006年</p><p>　　[3]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)[M].電子版</p><p>　　[4]陳潔.現(xiàn)代PLC控制技術(shù)與發(fā)展[J].2004年</p><p>　　[5]陳潔.新技術(shù)形勢下PLC的發(fā)展前景[J].2004年</p><p>　　[6]廖常初.PLC編程及應(yīng)用 第3版.北京.

63、機(jī)械工業(yè)出版社.2011.3-4 </p><p>　　[7]張進(jìn)秋,陳永利,張中民.可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2004.3-4 </p><p>　　[8]柴瑞娟,陳海霞.西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2007.90-91 </p><p>　　[9]高欽和,黃焱.PLC應(yīng)用開發(fā)案例精選

64、(第二版).北京.人民郵電出版社.2008.13-14</p><p>　　[10]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例.北京.人民郵電出版社.2004.164-165  </p><p>　　[11]何衍慶,黎冰,黃海燕.可編程控制器編程語言及應(yīng)用.北京.電子工業(yè)出版社.2006.195-196</p><p>　　[12]張宏林.PLC應(yīng)用

65、開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐（第2版）.北京.人民郵電出版社.2008.217-219</p><p>　　[13]龔仲華,付方明.S700-200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)-通用篇.北京.人民郵電出版社.2007.  </p><p>　　[14]孫同景,陳桂友.PLC原理及工程應(yīng)用.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.18-19  </p>

66、<p>　　[15]晁陽,胡軍,熊偉.可編程控制器原理應(yīng)用與實(shí)例解析,北京.清華大學(xué)出版社.45-47 </p><p>　　[16]洪志育,陳昇.例說PLC.人民郵電出版社. 北京.2006.250-260 </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在張煥梅老師的親切關(guān)懷和悉

67、心指導(dǎo)下完成的。張煥梅老師總是給予我學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)和幫助。從設(shè)計(jì)硬件方案的制定、到軟件程序的編寫都給予了精心的指導(dǎo)和督促。張煥梅老師淵博的理論知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)學(xué)風(fēng)、兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度以及務(wù)實(shí)奮進(jìn)和寬厚待人的生活作風(fēng),給我極大的鼓舞和啟迪,使我終身受益,將是學(xué)生永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的楷模。時(shí)值論文完成之際謹(jǐn)向張煥梅老師其家人致以衷心的感謝和真誠的祝福。</p><p>　　此外,太原工業(yè)學(xué)院為我提供了學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)所需的各類資源,在

68、各個(gè)階段我都得到了老師的幫助和指導(dǎo)。在此向偉大的母校表示感謝,感謝給我提供這么良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。特別要感謝孫錫龍老師給予我無私的幫助!</p><p>　　值此論文完成之際,作者謹(jǐn)此向以上所有給予我關(guān)心和幫助的人們致以衷心的感謝!</p><p>　　最后,感謝一切關(guān)心幫助我的師長、同學(xué)和朋友們!</p><p><b>　　附錄</b><