【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。 PLC 的特點(diǎn) 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(chǎng)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(shí)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(kāi)關(guān)電源。 5） 對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)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(kuò)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(jìn)一步提高。 ② 豐富的 I/O 接口模塊 【 4】 PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開(kāi)關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開(kāi)關(guān)；接近開(kāi)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(gè)部件，包括 CPU，電源， I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，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(jiǎn)單易學(xué) PLC 的編程大多采用類(lèi)似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī) 的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，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(jiǎn)單，維修方便 PLC 不需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障 。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 機(jī)械手概述 6 2 機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。 機(jī)械手的定義與分類(lèi) 機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。 工業(yè)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)，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。 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的場(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。 機(jī)械手一般分為三類(lèi) 。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火星等。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“ Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng) ，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。 本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類(lèi)，即通用機(jī)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(jì) (論文 ) 2 機(jī)械手概述 7 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)控制常用的技術(shù)。 機(jī)械手 發(fā)展情況 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)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(guó)內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專(zhuān)用 機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，用條件還要研制示教機(jī)械手、組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于 不同類(lèi)型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)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(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。 在機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)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(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制 系統(tǒng)構(gòu)成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)閉手指。機(jī)械手手部 的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無(wú)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(duì)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(jì)采用二指的構(gòu)造。 手臂的作用是 引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度 都需要精確地定位?？傊?，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用得最多，占 90％以上，液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用得較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用液壓缸、液 壓馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)液壓馬達(dá)、液壓缸與齒條、齒輪與鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 機(jī)械手概述 8 級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用 4～ 6 個(gè)大氣壓 ，個(gè)別達(dá)到 8～ 10 個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)方便，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大，由于 空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹 。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 電 氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流 的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一形式的動(dòng)力 ，出力比較大。本設(shè)計(jì) 采用步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的底盤(pán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于 動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn) 位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占 90％以上 。 控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以儲(chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等 。 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 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，工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(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 一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。代表當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)在日本，他的自動(dòng)化，人性化令人嘆為觀止，這些技術(shù)依賴(lài)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(jī)器。我國(guó)也陸續(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)化水平有待提高 。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也隨之提高，發(fā)展的趨勢(shì)是工作強(qiáng)度高，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，使人只作平時(shí)的簡(jiǎn)單的維護(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，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)?考慮控制硬件方案，只是要對(duì) PLC 進(jìn)行比較選擇。 PLC 的選型 對(duì)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(diǎn)數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)； 功能模塊等。同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性 以及工作環(huán)境對(duì)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(hào)的也很多，各個(gè)廠家生產(chǎn)的也有一定 區(qū)別，各個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向也不同，所以我們必須根據(jù)自己設(shè)計(jì)需要，考慮如何選擇。 ① 西門(mén)子 S7200 系列可編程控制器介紹： SIMATIC S7200 系列 PLC 是德國(guó)西門(mén)子（ Siemens） 公司生產(chǎn)的具有很高性能價(jià)格比的微型可編程控制器。 西門(mén)子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門(mén)子的中國(guó)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(guó)的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電 器等各個(gè)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(mén)子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，多年來(lái)一直廣泛服務(wù)于國(guó)內(nèi)的各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉及多功能多用途等特點(diǎn)，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(chǎng)合的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。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。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(shí)時(shí)特性；強(qiáng)勁的通訊能力；豐富的擴(kuò)展模塊。 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 S7200 系列 PLC 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。 S7200 產(chǎn)品憑借其先進(jìn)性、成熟性和廣泛的適用性在自動(dòng)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(shí)在自動(dòng)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(jì) (論文 ) 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 突出的特點(diǎn)： 可靠性高、操作簡(jiǎn)便； 豐富的內(nèi)置 集成功能； 強(qiáng)勁通訊能力； 豐富的擴(kuò)展模塊； 簡(jiǎn)單、易用的 Micro/WIN 編程軟件。 S7200 豐富的種類(lèi) 【 4】 ： CPU221：內(nèi)置 10 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，不可擴(kuò)充； CPU222：內(nèi)置 14 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 78 路數(shù)字量 I/O 或 10 路模擬量I/O； CPU224：內(nèi)置 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 168 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； CPU226：內(nèi)置 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可擴(kuò)充到 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O； 16 種擴(kuò)展模塊：數(shù)字量擴(kuò)展模塊，模擬量擴(kuò)展 模塊、 PROFIBUSDP 擴(kuò)展模塊、ASI 接口模塊 。 強(qiáng)大的通訊能力 ： 點(diǎn)到點(diǎn)通訊方式（ PPI） ； 多點(diǎn)接口通訊方式（ MPI） ； 自由通訊口方式（ Freeport） ； PROFIBU