【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 近似自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分?！C(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)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(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門(mén)的重視。本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可以歸為一類，即通用機(jī)械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動(dòng)化程度較高，大量應(yīng)用機(jī)械手。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的認(rèn)識(shí)，同時(shí)并熟悉掌握PLC技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)等工業(yè)常用的技術(shù) 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，人工工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單化，對(duì)于一些往返的工作有機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的東西對(duì)人體的傷害，如：冶金，化工，醫(yī)藥，航天等。代表當(dāng)代最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化。人性化讓人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合現(xiàn)在尖端技術(shù)的現(xiàn)代機(jī)器。我國(guó)也在陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng)控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)有待提高發(fā)展趨勢(shì)是工作強(qiáng)多高靈活性強(qiáng)，準(zhǔn)確可靠，可以自動(dòng)檢測(cè)并下達(dá)動(dòng)作命令，融入先進(jìn)的人工智能使人只做平時(shí)的簡(jiǎn)單維護(hù)，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢(shì)。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)聯(lián)用，逐步成為機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì)利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng)，機(jī)械手可以上下、左右移動(dòng)；利用上下、左右限位開(kāi)關(guān)控制機(jī)械手啟停；機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始，按以下動(dòng)作進(jìn)行：原點(diǎn)—啟動(dòng)—下行（到下限位停）—抓工件—上行（到上限位停）—右行（到右限位停）—下行（到下限位停）—放工具—上行（到上限位停）—左行（到左限位停）。在機(jī)械手運(yùn)行過(guò)程中，任何時(shí)候都可以利用急停按鈕，停止機(jī)械手動(dòng)作。（一）利用PLC編寫(xiě)程序控制組態(tài)畫(huà)面中變量的變化（二）利用PLC的輸入信號(hào)控制組態(tài)畫(huà)面，也可利用組態(tài)中各軟按鈕控制PLC程序的運(yùn)行和組態(tài)運(yùn)行 方案設(shè)計(jì)利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一機(jī)械手組態(tài)控制系統(tǒng),利用機(jī)械手上下左右移動(dòng)碰到的限位開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按鈕和一個(gè)急停按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)械手畫(huà)面，通過(guò)動(dòng)畫(huà)連接和腳本程序。與PLC的聯(lián)合調(diào)試 使系統(tǒng)達(dá)到可以在MCGS系統(tǒng)中監(jiān)控機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)可以利用PLC程序控制組態(tài)畫(huà)面的要求。圖31 圖32 硬件設(shè)計(jì) 輸入/輸出端子地址分配代號(hào)名稱輸入編號(hào)代號(hào)名稱輸出SB1啟動(dòng)按鈕X0KM1機(jī)械手上行Y002SB2停止按鈕X1KM2機(jī)械手下行Y003SQ1下限行程X2KM3機(jī)械手左行Y004SQ2上限行程X3KM4機(jī)械手右行Y005SQ3左限行程X4KM5抓工件Y006SQ4右限行程X5KM6放工件Y007 PLC接線圖 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)　　 GX Developer是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、 ST及FB、Label語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫(xiě)PLC程序功能。 GX Developer的特點(diǎn)1. 軟件的共通化 GX Developer能夠制作Q系列，QnA系列，A系列（包括運(yùn)動(dòng)控制（SCPU））,FX系列的數(shù)據(jù),能夠轉(zhuǎn)換成GPPQ,GPPA格式的文檔。 此外，選擇FX系列的情況下，還能變換成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。 2. 利用Windows的優(yōu)越性，使操作性飛躍上升能夠?qū)xcel,Word等作成的說(shuō)明數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，粘貼，并有效利用。 3. 程序的標(biāo)準(zhǔn)化 (1) 標(biāo)號(hào)編程 用標(biāo)號(hào)編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認(rèn)識(shí)軟元件的號(hào)碼而能夠根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序。 用標(biāo)號(hào)編程做成的程序能夠依據(jù)匯編從而作為實(shí)際的程序來(lái)使用。 (2) 功能塊（以下，略稱作FB） FB是以提高順序程序的開(kāi)發(fā)效率為目的而開(kāi)發(fā)的一種功能。把開(kāi)發(fā)順序程序時(shí)反復(fù)使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開(kāi)發(fā)變得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運(yùn)用到別的順序程序時(shí)的順序輸入錯(cuò)誤。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡(jiǎn)單的命令就能夠讀出登錄過(guò)的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。 4. 能夠簡(jiǎn)單設(shè)定和其他站點(diǎn)的鏈接 由于連接對(duì)象的指定被圖形化而構(gòu)筑成復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下也能夠簡(jiǎn)單的設(shè)定。 5. 能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接 (1) 經(jīng)由串行通訊口 (2) 經(jīng)由USB (3) 經(jīng)由MELSECNET/10(H)計(jì)算機(jī)插板 (4) 經(jīng)由MELSECNET(Ⅱ)計(jì)算機(jī)插板 (5) 經(jīng)由CCLink計(jì)算機(jī)插板 (6) 經(jīng)由Ethernet計(jì)算機(jī)插板 (7) 經(jīng)由CPU計(jì)算機(jī)插板 (8) 經(jīng)由AF計(jì)算機(jī)插板 6. 豐富的調(diào)試功能 (1) 由于運(yùn)用了梯形圖邏輯測(cè)試功能，能夠更加簡(jiǎn)單的進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。 (a) 沒(méi)有必要再和可編程控制器連接。 (b) 沒(méi)有必要制作條使用的順序程序。 (2) 在幫助中有CPU錯(cuò)誤，特殊繼電器/特殊寄存器的說(shuō)明，所以對(duì)于在線中發(fā)生錯(cuò)誤，或者是程序制作中想知道特殊繼電器/特殊寄存器的內(nèi)容的情況下提供非常大的便利。 (3) 數(shù)據(jù)制作中發(fā)生錯(cuò)誤況時(shí)，會(huì)顯示是什么原因或是顯示消息，所以數(shù)據(jù)制作的時(shí)間能夠大幅度縮短。 常用編程方法介紹1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎(chǔ)上,根據(jù)被控制對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求,憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。有時(shí)為了得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果,需要進(jìn)行多次反復(fù)地調(diào)試和修改,增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程元件。這種設(shè)計(jì)方法沒(méi)有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循,即具有一定的試探性和隨意性,最后得到的結(jié)果也不是唯一的,設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)多少有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)比較有效的,可以收到快速、簡(jiǎn)單的效果。但是,由于這種方法主要時(shí)依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高,特別時(shí)要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng),經(jīng)驗(yàn)法一般設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),不易掌握,系統(tǒng)交付使用后,維護(hù)困難。所以,經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于比較簡(jiǎn)單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2 接觸器繼電器法接觸器繼電器法就是依據(jù)所控制電器的接觸器繼電器控制線路原理圖，用PLC對(duì)應(yīng)的符號(hào)和功能相當(dāng)?shù)钠骷?，把原?lái)的接觸器繼電器系統(tǒng)的控制線路直接翻譯成梯形圖程序的設(shè)計(jì)方法。接觸器繼電器法特別適合于初學(xué)者編程設(shè)計(jì)使用，也特別適合對(duì)原有舊設(shè)備的技術(shù)革新和技術(shù)改造。3 順序控制法順序控制法就是在生產(chǎn)控制過(guò)程中，按照生產(chǎn)工藝所要求的動(dòng)作規(guī)律，在各個(gè)輸入控制信號(hào)的作用下，根據(jù)所需要的狀態(tài)和時(shí)間順序，在生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地按照預(yù)先規(guī)定的順序有步驟地進(jìn)行操作。　　　　順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)順序功能圖,然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。在順序功能圖中,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開(kāi)始,步之間沒(méi)有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。而對(duì)于每一步的程序段,只需處理極其簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系。因而這種編程方法簡(jiǎn)單易學(xué),規(guī)律性強(qiáng)。設(shè)計(jì)出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好,程序的調(diào)試和運(yùn)行也很方便,可以極大地提高工作效率。4 邏輯設(shè)計(jì)法　工業(yè)電氣控制線路中,有不少都是通過(guò)繼電器等電氣元件來(lái)實(shí)現(xiàn),而繼電器,交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即吸合和斷開(kāi),因此,用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路時(shí)完全可以的,PLC的早期應(yīng)用就是替代繼電器控制系統(tǒng),因此用邏輯設(shè)計(jì)方法同樣也適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運(yùn)算式表達(dá)出來(lái)后,實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯函數(shù)的線路就確定了。當(dāng)這種方法使用熟練后,甚至梯形程序也可以省略,可以直接寫(xiě)出于邏輯函數(shù)和表達(dá)式對(duì)用的指令語(yǔ)句程序。用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用程序的一般步驟如下:第一步：列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表第二步：繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。第三步：進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。第四步：編寫(xiě)程序。第五步：對(duì)程序檢測(cè)、修改和完善。 該系統(tǒng)采用順序控制法，在順序功能圖中,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開(kāi)始,步之間沒(méi)有重疊。這是系統(tǒng)中大量復(fù)雜的連鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。用三菱PLC的編程軟件GX Developer編的梯形圖 語(yǔ)句表 MCGS組態(tài)軟件MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其主要特征和功能大體為：具有簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能、有豐富生動(dòng)的多媒體畫(huà)面、開(kāi)放式結(jié)構(gòu)、廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、完善的安全機(jī)制、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、多樣化的報(bào)警功能、支持多種硬件設(shè)備、方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流程、良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性、設(shè)立對(duì)象元件庫(kù)組態(tài)工作簡(jiǎn)單方便、能實(shí)現(xiàn)對(duì)工控系統(tǒng)的分布式控制和管理等等。 MCGS 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu) 功能特點(diǎn)MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，用來(lái)幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶的制定方式運(yùn)行，并進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)用戶設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系如下圖所示：運(yùn)行環(huán)境：解釋執(zhí)行狀態(tài)結(jié)果組態(tài)環(huán)境：組態(tài)生成應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)由MCGS生成的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分組成。如下圖所示MCGS主控窗口設(shè)備窗口用戶窗口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行