【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 PLC 的特點 ① 高可靠性 【 4】 1） 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離。 2） 各輸入端均采用 RC 濾波器，其濾波時間常 數(shù)一般為 10～ 20ms。 3） 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。 4） 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 5） 對采用的器件進行嚴格的篩選。 6） 良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況， CPU 立即采用有效措施，以防止故障擴大。 7） 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進一步提高。 ② 豐富的 I/O 接口模塊 【 4】 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊 與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 ③ 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個部件，包括 CPU，電源， I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合 。 ④ 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機 的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握 。 ⑤ 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 機械手概述 6 2 機械手概述 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人 和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機械手的定義與分類 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 機械手的迅速發(fā)展是由 于它的積極作用正日益為人們所認識，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、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，并投入了大量的物力和財力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。 機械手一般分為三類 。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“ Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動 ，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 本項目要求設(shè)計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 機械手概述 7 中，自動化程度較高，大量應(yīng)用機械手。通過本次設(shè)計，可以增強對工業(yè)機械手的認識，同時并熟悉掌握 PLC 技術(shù)、位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)等工業(yè)控制常用的技術(shù)。 機械手 發(fā)展情況 目前工業(yè)機械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面都能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機械手，逐步擴大應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用 機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，用條件還要研制示教機械手、組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及用于 不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機械手，即便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。 在機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的 操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機械手發(fā)生某些偏離時，會引起零部件甚至機械本身的損壞，但若有了傳感反饋自動，機械手就可以根據(jù)反饋自行調(diào)整。 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制 系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動、開閉手指。機械手手部 的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等 ，其中以二指用得最多?？筛鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要 。本設(shè)計采用二指的構(gòu)造。 手臂的作用是 引導(dǎo)手指準確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度 都需要精確地定位?？傊?，機械手的運動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動液壓缸、電液脈沖馬達、伺服液壓馬達、交流伺服電動機、直流伺服電動機和步進電動機等。軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的機架。 驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以電氣、氣動用得最多，占 90％以上，液壓、機械驅(qū)動用得較少。 液壓驅(qū)動主要是通過液壓缸、閥、油箱等實現(xiàn)傳動。它利用液壓缸、液 壓馬達加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動液壓馬達、液壓缸與齒條、齒輪與鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點 是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 機械手概述 8 級變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。一般采用 4～ 6 個大氣壓 ，個別達到 8～ 10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護方便，成本低。缺點是出力小，體積大，由于 空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹 。本設(shè)計的手爪部分采用氣壓驅(qū)動。 電 氣驅(qū)動時，直線運動可以采用電動機帶動絲杠、螺母機構(gòu)。通用機械手則考慮采用步進電動機、直流或交流 的伺服電動機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護、使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動力 ，出力比較大。本設(shè)計 采用步進 電動機驅(qū)動手臂運動，直流電動機驅(qū)動手爪和機械手的底盤旋轉(zhuǎn)運動。 機械驅(qū)動只適用于 動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。機械手的控制分為點 位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占 90％以上 。 控制系統(tǒng)可以根據(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儲存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手工作。對動作復(fù)雜的機械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等 。 機械手的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)越來越高，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡單化，對于一些往復(fù)的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免 一些人不能接觸的物質(zhì)對人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。代表當今最先進的技術(shù)在日本，他的自動化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴于控制理論、新材料科學(xué)，它是融合各種尖端技術(shù)的現(xiàn)代機器。我國也陸續(xù)在工業(yè)中有所應(yīng)用，對于自 動控制，柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛，但我國的自動化水平有待提高 。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢是工作強度高，靈活性強，準確可靠，可以自動檢測并下達動作命令，融入先進的人工智能，使人只作平時的簡單的維護，這也是現(xiàn)代工廠的發(fā)展趨勢。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶 再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 9 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、 PLC控制等。但由于此明確指定采用 PLC 可編程控制器控制實現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)?考慮控制硬件方案，只是要對 PLC 進行比較選擇。 PLC 的選型 對于 PLC 的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)； 功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性 以及工作環(huán)境對其的影響 。 常用 PLC 介紹 PLC 發(fā)展這么多年，技術(shù)成熟，各種型號的也很多，各個廠家生產(chǎn)的也有一定 區(qū)別，各個重點發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計需要，考慮如何選擇。 ① 西門子 S7200 系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7200 系列 PLC 是德國西門子（ Siemens） 公司生產(chǎn)的具有很高性能價格比的微型可編程控制器。 西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子的中國業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電 器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。 S7200 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運行速度快，價格低廉及多功能多用途等特點，因此在 工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 它 適用于各行各業(yè)，各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。在以下幾方面均有出色的表現(xiàn)：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；實時特性；強勁的通訊能力；豐富的擴展模塊。 應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等 S7200 系列 PLC 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(fù)雜的自動化控制。 S7200 產(chǎn)品憑借其先進性、成熟性和廣泛的適用性在自動化產(chǎn)品中受到廣泛的重視，相信此次發(fā)布的新產(chǎn)品一定能夠滿足部分用戶的需求，同時在自動化領(lǐng)域中獲得更廣泛的應(yīng)用。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 10 突出的特點： 可靠性高、操作簡便； 豐富的內(nèi)置 集成功能； 強勁通訊能力； 豐富的擴展模塊； 簡單、易用的 Micro/WIN 編程軟件。 S7200 豐富的種類 【 4】 ： CPU221：內(nèi)置 10 個數(shù)字量 I/O 點，不可擴充； CPU222：內(nèi)置 14 個數(shù)字量 I/O 點，可擴充到 78 路數(shù)字量 I/O 或 10 路模擬量I/O； CPU224：內(nèi)置 24 個數(shù)字量 I/O 點，可擴充到 168 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； CPU226：內(nèi)置 40 個數(shù)字量 I/O 點，可擴充到 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； 16 種擴展模塊：數(shù)字量擴展模塊，模擬量擴展 模塊、 PROFIBUSDP 擴展模塊、ASI 接口模塊 。 強大的通訊能力 ： 點到點通訊方式（ PPI） ； 多點接口通訊方式（ MPI） ； 自由通訊口方式（ Freeport） ； PROFIBU