【正文】 ，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮 機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元 [2]。 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 2 它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī) [15]。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手 向 高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì) [17]。定位精度可以滿足微米 級(jí) 及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到 3m/s， 負(fù)載 2Kg的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100Kg。更重要的是將機(jī)械手、 柔性制造系統(tǒng) (Flexible Manufacturing Systems, FMS)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell, FMC)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 [17]。 新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與 發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化 、 自動(dòng)化已成為突出的主題。然而在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)而且效率不高。同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故 [3]。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用具 有以下意義： 第一， 可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度 。 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高 勞動(dòng)生產(chǎn)率，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 。 第二， 可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故 。 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。同時(shí)，在一些動(dòng)作簡(jiǎn)單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械 手 代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 。 第三，可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 3 人力的另一個(gè)側(cè)面。 因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn) [4]。 本課題 研究的 主要 內(nèi)容 通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的分析研究， 明確了 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有以下幾點(diǎn)： （ 1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求， 完成 該系統(tǒng) 的機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)建。 （ 2） 對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的硬件構(gòu)建和軟件設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)的工藝要求。 （ 3）對(duì)系統(tǒng)工藝的各環(huán)節(jié)選型，并對(duì)其進(jìn)行深入的探討。 （ 4）利用 iFIX 組態(tài)軟件對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)視。 （ 5）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 4 2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的 分析 機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制方式 機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用以下三種方式：一是繼電器控制系統(tǒng)；二是 PLC控制系統(tǒng)；三是微機(jī)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、控制方式不靈活及功率消耗大等缺點(diǎn)，目前已逐漸被人們 所淘汰；微機(jī)控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強(qiáng)大的功能，但也存在一定的不足之處，即抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，一般維修人員難以掌握其維修技術(shù)。而 PLC控制系統(tǒng)由于運(yùn)行可靠、使用維修方便、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)越性，成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。 綜合考慮三種控制方式的特點(diǎn) ， 機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制優(yōu)先選擇 PLC控制 [5]。 機(jī)械手控制的基本工藝和控制要求 機(jī)械手動(dòng)作示意圖如圖 21 所示 。它是一個(gè)水平 /垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用來(lái)將工件由工作臺(tái) A 搬到工作臺(tái) B。 機(jī)械 手的全部動(dòng)作 可 由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由相應(yīng)的電磁閥 來(lái)控制，電磁閥由 PLC 控制。其中上升 /下降和左移 /右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。例如，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；當(dāng)下降電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止下降。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止上升。同樣，左移 /右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機(jī)械手的夾緊 /放松由一個(gè)單線圈兩位置電磁閥（稱為夾緊電磁閥）控制。當(dāng)該線圈通電時(shí)，機(jī)械手夾緊，當(dāng)該線圈斷電時(shí)，機(jī)械手放松。 當(dāng)機(jī)械手右移到位并準(zhǔn)備下降時(shí)，為了確保安全，必須在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才允許機(jī)械手下降。也就是說(shuō)，在上一次搬運(yùn)到右工作臺(tái)的工件尚未搬走時(shí)， 圖 21 機(jī)械手動(dòng)作示意圖 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 5 機(jī)械手應(yīng)該自動(dòng)停止下降，用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)，信號(hào)直接輸入到 PLC 的 輸入端。 機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖 22 所示。 ○ 1 從 原點(diǎn)開(kāi)始，按下啟動(dòng)按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降；下降到位時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。 ○ 2 同時(shí)接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊。 ○ 3 夾緊后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到位時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。 ○ 4 同時(shí)接通 右移電磁閥，機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開(kāi)關(guān)，右移電磁閥斷電，停止右移。 ○ 5 若此時(shí)工作臺(tái)上無(wú)工件，則光電開(kāi)關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。下降到位時(shí)，碰到下限位開(kāi)關(guān)，下降電磁閥斷電，停止下降。 ○ 6 同時(shí)夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手放松。 ○ 7 放松后，上升電磁閥通電，機(jī)械手上升。上升到 位時(shí)，碰到上限位開(kāi)關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。 ○ 8 同時(shí)接通左移電磁閥，機(jī)械手左移。左移到位時(shí)，碰到左限位開(kāi)關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。至此，機(jī)械手經(jīng)過(guò)了 8 步完成了一個(gè)周期的動(dòng)作 。 機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作的方式 [6]。 (1) 手動(dòng)操作方式 手動(dòng)操作方式 是用按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行控制。例如，當(dāng)選擇上 /下運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由上升 /下降按鈕控制。當(dāng)選擇左 /右運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別由左移/右移按鈕控制。當(dāng)選擇夾緊 /放松運(yùn)動(dòng)時(shí)， 分別由夾緊 /放松按鈕控制。 (2) 自動(dòng)操作方式 步進(jìn)操作：每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作后自動(dòng)停止。 單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周 期的動(dòng)作后就停止。 原 點(diǎn)。左 限 位 開(kāi) 關(guān)左下限位開(kāi)關(guān)左 上 限 位 開(kāi) 關(guān)右 限 位 開(kāi) 關(guān)右 下 限 位 開(kāi) 關(guān)右上限位開(kāi)關(guān)下降上升1348752 6下降上升左 移右 移原 點(diǎn) 指 示光 電 開(kāi) 關(guān)右 位放 松夾 緊 圖 22 機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 6 連續(xù)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按一下啟動(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)。在工作過(guò)程中，如按停止按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成此周期的動(dòng)作，回到原點(diǎn)后自動(dòng)停止。 操作面板布置 圖 23 是可編程控制器控制面板布置圖。由工作方式選擇開(kāi)關(guān)，來(lái)選擇不同的工作方式。包括手動(dòng) /自動(dòng)方式選擇、手動(dòng)方式的操作按鈕、自動(dòng) 方式中的三種操作方式選擇和操作按鈕。 另外，面板上還設(shè)置了電源供給按鈕、緊急停車按鈕、電源指示燈以及機(jī)械手原點(diǎn)指示燈。 上 升下 降左 移 右 移手 動(dòng) 自 動(dòng)連 續(xù)步 進(jìn)夾 緊放 松停 止啟 動(dòng)單 周 期自 動(dòng) 控 制 操 作電 源 指 示 燈控 制 方 式 選 擇手 動(dòng) 控 制 操 作電 源緊 急 停 車機(jī) 械 手 原點(diǎn) 指 示 燈 圖 23 控制盤面板布置圖 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 7 3 機(jī)械手控制系統(tǒng)的 PLC 控制 的硬件設(shè)計(jì) 西門子的 SIMATIC S7200 系列 PLC 是一類小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力以及豐富的擴(kuò)展模塊。 S7200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 所以本課 題機(jī)械手控制系統(tǒng)的 PLC 選用西門子 S7200 類型 [7]。 PLC 的 選型 西門子 226 CPU 集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn) [8]。 它有 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 ， 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHz 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器 ， 2 個(gè) 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。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的 運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能 [9]。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 再 考慮冗余的設(shè)計(jì)要求 ， I/O 點(diǎn)需要10%的冗余量。 通過(guò) 對(duì) 系統(tǒng)的分析，本課題的機(jī)械手控制共有 18 輸入點(diǎn)， 6 個(gè)輸出點(diǎn)。根據(jù) PLC 選型 I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量要有一定的冗余 量 以及通信能力較強(qiáng)的要求，本課 題控制主機(jī) 類型 選擇德國(guó)西門子公司的 S7200 CPU226[10]。 由以上描述可知， CPU226 的 I/O 點(diǎn)充足 并且還有冗余， 最大負(fù)載電流為1000mA 以及其它功能均能滿足本文控制系統(tǒng)需要，故 該控制 系統(tǒng)不必添加擴(kuò)展模塊。 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 輸 入 /輸出端子地址分配 機(jī)械手 控制系統(tǒng)共用 了 18 個(gè)輸入量， 6 個(gè)輸出量。 其 I/O 具體分配如表 31所 列 [11]。 表 31 輸入 /輸出地址分配表 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 端子編號(hào) 作 用 端子編號(hào) 作 用 自動(dòng)方式下啟動(dòng) 電磁閥下降線圈 下限位開(kāi)關(guān) 電磁閥上升線圈 上限位開(kāi)關(guān) 夾緊電磁閥線圈 右限位開(kāi)關(guān) 電磁閥右移線圈 左限位開(kāi)關(guān) 電磁閥左移線圈 工件檢測(cè)開(kāi)關(guān) 機(jī)械手原點(diǎn)指 示 自動(dòng)方式下停止 手動(dòng) /自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān) 自動(dòng)方式下步進(jìn)操作 自動(dòng)方式單周期操作 自動(dòng)方式下連續(xù)操作 手動(dòng)上升操作 手動(dòng)下降操作 手動(dòng)右移操作 手動(dòng)左移操作 手動(dòng)夾緊操作 手動(dòng)放松操作 急停按鈕 注：急停按鈕選用手動(dòng)復(fù)位按鈕，即按一下按鈕不會(huì)彈起。 控制系統(tǒng)的電氣原理圖 如圖 31 所示為 機(jī)械手控制系統(tǒng)的輸入 /輸出電氣原理圖 。 由表 31 分析可以得出， 該系統(tǒng)共有 18 輸入 /6 輸出。 結(jié)合著圖 23 控制盤面板布置圖和該圖一起使用，先選定工作方式即自動(dòng)或手動(dòng)。自動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，再設(shè)置相應(yīng)運(yùn)行PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 9 模式即自動(dòng)方式下步進(jìn)操作、自動(dòng)方式下單周期操作或自動(dòng)方式下連續(xù)操作。手動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，只需要操作面板上相應(yīng)動(dòng)作的按鈕即可實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程。另外， 為了保證在緊急情況下 能及時(shí)停車，本文設(shè)置了一個(gè)急停按鈕 。當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，按下急停按鈕，切斷了各個(gè)動(dòng)作的控制線圈回路，而此時(shí) PLC 仍能正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的可靠控制。 當(dāng)緊急情況解除后，再按一下急停按鈕，線圈通電，系統(tǒng)恢復(fù)正常。 1 . 31 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