【正文】 IV 機械手 3 控 制程序 .................................................................................. 26 機械手群主程序 ...................................................................................... 29 第 5 章 結論 ........................................................................................................... 32 參考文獻 ................................................................................................................. 33 致 謝 ....................................................................................................................... 35 附 錄 Ι .................................................................................................................... 36 本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1章 緒 論 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。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，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。” 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。如自動生產線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。它適用于可變換生產品種的 中小批量自動化生產。 機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng) (FMS )和計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS )，實 現(xiàn)生產自動化。 氣動機械手的簡介 氣動技術 氣動技術 — 這個被譽為工業(yè)自動化之“肌肉”的傳動與控制技術，在加工制造業(yè)領域越來越受到人們的重視，并獲得了廣泛應用。氣動技術 (Pneumatics)是以壓縮空氣為介質來傳動和控制機械的一門專業(yè)技術。 氣動技術因具有節(jié)能、無污染、高效、低成本、安全可靠、結構簡單，以及防火、防爆、抗電磁干擾、抗幅射等優(yōu)點廣泛應用于汽車制造、電子、工作機械 (紡織機械、印刷、包裝設備及機床等 )、食品等工業(yè)產業(yè)中。 隨著生產自動化程度的不斷提高，氣動技術應用面迅速擴大，氣動產品品種規(guī)格持續(xù)增多，性能、質量不斷提高，市場銷售產值穩(wěn)步增長。氣動工業(yè)的高速增長，進一步刺激了氣動技術的發(fā)展。 氣動機械手 工業(yè)機械手使用最多的一種驅動方式是電機驅動。由于電機速度高，通常須采用減速機構 (如諧波傳動、 RV 擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構等 )。 但是由于這類機械手價格昂貴，限制了在一些場合的廣泛應用。 隨著氣動技術獲得了快速發(fā)展，其中利用成本性能比低廉及同時具有許多優(yōu)點的氣動機械手設備來滿足社會生產實踐需要也越來越多的受到重視，氣動機械手技術已經成為能夠滿足許多行業(yè)生產實踐要求的一種重要實用技術。二者之間的區(qū) 別在于氣動機械手發(fā)展的起點頗高，它強調模塊化的形式，把專用機械手和通用機械手結合起來。采集感知信號及控制信號均由智能閥島來處理，氣動伺服定位系統(tǒng)代替了伺服電機步進馬達或液壓伺服系統(tǒng) 。人們根據(jù)應用工況的要求，選擇相應功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進的設計思想，代表氣動機械手 今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動機械手的發(fā)展及實用性。 氣動機械手的發(fā)展趨勢 盡管世界工業(yè)經濟發(fā)展放緩，使得氣動機械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學技術的產物，氣動機械手的發(fā)展勢不可擋。 本文所針對的機械手屬于圓柱坐標式，如圖 所示，機械手主要是由基座和手臂兩部分組成。手臂裝在基座上，作上下直線運動，手部可夾緊 /放松。氣缸由電磁閥、氣動比例閥控制。 氣動搬運機械手的工作原理 本機械手采用氣壓驅動，使用的是壓力為 0. 6 MPa，最高可達 1 MPa。機械手的全部動作由氣缸驅動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升 /下降、左傳 /右轉、夾緊 /放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。 機械手手部 機械手橫臂 機械手立柱 機械手基座 本科生畢業(yè)設計（論文） 5 圖 工作流程 其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為 01500mm。手爪是通過氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調節(jié)彈簧的預壓縮量來調整。其結構如圖 所示。每個機械手的手部正下方都有工作臺，用于放置物品。機械手把物 品從右面的工作臺上移到左面的工作臺上。 本論文的主要內容及達到的目標 本論文主要內容是以氣動搬運機械手作為控制對象，用 PLC 作為控制器，最終實現(xiàn)對氣動搬運機械手群自動運行 的控制。 每個機械手的完成 8 個基本操作，第 1 步當工作臺上有物品時，機械手下降。第 3 步是機械手夾緊物品上升。第 5 步是機械手夾緊物品下降。第 7 步機 械手上升。 本系統(tǒng)的控制方案 為了實現(xiàn)對氣動搬運機械手群的自動控制，本系統(tǒng)采用 PLC 做控制器。系統(tǒng)框圖如圖 所示 。國際電工委員會（ IEC）在 1985 年的 PLC 標準草案第 3 稿中，對 PLC 作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?！? 現(xiàn)代工業(yè)生產過程是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。 PLC 具有如下特點： 編程方法簡單易學。 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少。 體積小，能耗低。但最近十年來， PLC 的應用面越來越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關元件的價格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增加，能解決復雜的計算和通信問題。 PLC 的應用范圍通常分成以下 5 種類型： 1．順序控制 這是 PLC 應用最廣泛的領域，也是最適合 PLC 使用的領域，它用來取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。例 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制。 相對來說，位置控制模塊比 CNC 裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作更方便， 3．過程控制 PLC 還能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。當過程控制中某個變量出現(xiàn)偏差時， PID 控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。 5．通信控制 PLC 的通信包括主機與遠程 I/O 的通信、多臺 PLC 之間的通信、 PLC 和其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。 PLC 的系統(tǒng)組成 PLC 種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。 PLC 的結構框圖如圖 所 示。 CPU 通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入 /輸出接口電路連接。 系統(tǒng)存儲器包括用來存放由 PLC 生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 ROM 本科生畢業(yè)設計（論文） 10 內，用戶不能直接更改。系統(tǒng)程序質量的好壞，很大程度上決定了 PLC 的性能，其內容主要包括三部分。第二部分 為用戶指令解釋程序。 圖 PLC 的結構框圖 用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶數(shù)據(jù)存儲器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF 狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。 PLC 使用的存儲器類型有三種。 輸入 /輸出模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊。輸入 /輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到 PLC 外部，輸出模塊具有隔離 PLC 內 部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。 12V、 24V 等直流電源，使 PLC 能正常工作。 通信接口 為了實現(xiàn)“人─機”或“機─機”之間的對話， PLC 配有多種通信接口。 編程器 編程器的作用是供用戶進行程序的編制 、編輯、調試和監(jiān)視。簡易型的編程器只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉換為機器語言助記符（語句表）后，才能輸入。 PLC 的工作原理 PLC 是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，但是 CPU 是以分時操作方式來處理各項任 務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。 概括而言， PLC 是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。一般來說，掃描周期越大，表明掃描所需要的時間就越長，要求輸入信號的寬度接越大，控制周期接越長，控制速度就要降低。第一部分為上電處理，第二部分是掃描過程，第三部分是出錯處理。 建立輸入信號名稱與電氣符號表 ： 表 輸入 信號名稱與電氣符號表 序號 名稱 電氣符號 1 總啟動按鈕 SB1 2 總停止按鈕 SB2 3 自動 /手動選擇按鈕 SB3 4 機械手 1 啟動按鈕 SB4 5 機械手 1 停止按鈕 SB5 6 機械手 2 啟動按鈕 SB6 7 機械手 2 停止按鈕 SB7 8 機械手 3 啟動按鈕 SB8 9 機械手 3 停止按鈕 SB9 10 工作臺 A 物品檢測開關 SQ1 11 工作臺 B 物品檢測開關 SQ2 12 工作臺 C 物品檢測開關 SQ3 13 機械手 1 下降限位開關 SQ4 14 機械手 1 夾緊檢測開關 SQ5 15 機械手 1 上升限位開關 SQ6 本科生畢業(yè)設計（論文） 14 續(xù)表 16 機械手 1 左旋限位開關 SQ7 17 機械手 1 右旋限位開關 SQ8 18 機械手 2 下降限位開關 SQ9 19 機械手 2 夾緊檢測開關 SQ10 20 機械手 2 上升限位開關 SQ11 21 機械手 2 左旋限位開關 SQ12 22 機械手 2 右旋限位開關 SQ13 23 機 械手 3 下降限位開關 SQ14 24 機械手 3 夾緊檢測開關 SQ15 25 機械手 3 上升限位開關 SQ16 26 機械手 3 左旋限位開關 SQ17 27 機械手 3 右旋限位開關 SQ18 本控制系統(tǒng)由 15 個輸出電磁閥，分別為機械手下降電磁閥 3 個，負責驅動機械手的下降；機械手夾放電磁閥 3 個，負責驅動機械手夾放物品；機械手上升電磁閥 3 個，負責驅動機械手的上升；機械手右旋電磁閥 3 個，負責驅動機械手的右旋；機械手左旋電磁閥 3 個，負責驅動機械手的左旋。 本文選擇的是德國的西門子公司生產的 S7200PLC。特別是 S7200CPU22*系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面（ HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡。 CPU22*系列 PLC 它有如下五種不同結構的配置單元： （ 1） CPU221，它具有 6輸入 /4輸出， I/O 共計 10點，無擴展能力； （ 2） CPU222，它具有 8輸入 /6輸出， I/O 共計 14點，并可以進行一定的模擬量控制和 2個模塊的擴展； （ 3） CPU224，它具有 14點輸入 /10點輸出， I/O 點數(shù)共計 24點，它有七個擴展模塊，有內置時鐘； （ 4） CPU226，它具有 24輸入 /16輸出， I/O 共計 40點，與 CPU224相比，它增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強； （ 5） CPU226XM，這是西門子公司后推出的一種增強型主機，它在用戶程 本科生畢業(yè)設計（論文）