【正文】 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒(méi)有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法。它能識(shí)別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)能力等人工智能 [3]。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì) [4][5]。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ) [6]。通過(guò)設(shè)計(jì)編制 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。通過(guò) MCGS 將機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫演示，使機(jī)械手的動(dòng)作形象化。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 8 頁(yè)第二章 PLC 及機(jī)械手的介紹及選擇 PLC 慨況可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡(jiǎn)稱 PC） 。自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來(lái)，PLC 得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器中。PLC 的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為 END 指令） ，然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。不同型號(hào)的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來(lái)處理，16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。PLC 沒(méi)有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比 DCS 要低很多。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用 PLC 較為合適。 近 10 年來(lái)，隨著 PLC 價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 9 頁(yè)設(shè)備開始采用 PLC 進(jìn)行控制，PLC 在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。 通用 PLC 應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但 PLC 相對(duì)一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布了對(duì) PLC 的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。可以預(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC 控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流PLC 程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)，還為 PLC 程序可靠運(yùn)行及信息與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。 PLC 的結(jié)構(gòu)及基本配置和繼電器控制系統(tǒng)類似，PLC 控制系統(tǒng)也是由輸入部分、邏輯部分和輸出部分組成。但它們的組成是相同的，對(duì)箱體式 PLC，有一塊 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，當(dāng)然按 CPU 性能分成若干型號(hào)，并按 I/O 點(diǎn)數(shù)又有若干規(guī)格。無(wú)任哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都屬于溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 10 頁(yè)總線式開放型結(jié)構(gòu)，其 I/O 能力可按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)展與組合。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。即用戶通過(guò)編程器輸入的用戶程序。注意：系統(tǒng)程序直接關(guān)系到 PC 的性能，不能由用戶直接存取，所以，通常 PC產(chǎn)品資料中所指的存儲(chǔ)器形式或存儲(chǔ)方式及容量，是指用戶程序存儲(chǔ)器而言。它確定了進(jìn)行控制的規(guī)模、工作速度、內(nèi)存容量等。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。 CPU 的運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。CPU 雖然劃分為以上幾個(gè)部分，但 PLC 中的 CPU 芯片實(shí)際上就是微處理器，由于電路的高度集成，對(duì) CPU 內(nèi)部的詳細(xì)分析已無(wú)必要，我們只要弄清它在 PLC 中的功能與性能，能正確地使用它就夠了。一般講，CPU 模塊總要有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，如電源顯示、運(yùn)行顯示、故障顯示等。它的總線接口，用于接 I/O溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 12 頁(yè)模板或底板，有內(nèi)存接口，用于安裝內(nèi)存，有外設(shè)口，用于接外部設(shè)備，有的還有通訊口，用于進(jìn)行通訊。I/O 模塊： PLC 的對(duì)外功能，主要是通過(guò)各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。電源模塊：有些 PLC 中的電源，是與 CPU 模塊合二為一的，有些是分開的，其主要用途是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。電源以其輸入類型有：交流電源，加的為交流220VAC 或 110VAC，直流電源，加的為直流電壓，常用的為 24V。PLC 的外部設(shè)備：外部設(shè)備是 PLC 系統(tǒng)不可分割的一部分，它有四大類1. 編程設(shè)備：有簡(jiǎn)易編程器和智能圖形編程器，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控 PLC 及 PLC 所控制的系統(tǒng)的工作狀況。2. 監(jiān)控設(shè)備：有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器。3. 存儲(chǔ)設(shè)備：有存儲(chǔ)卡、存儲(chǔ)磁帶、軟磁盤或只讀存儲(chǔ)器，用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，使用戶程序不丟失，如 EPROM、EEPROM 寫入器等。PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)：PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC 與 PLC 之間、PLC 與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 13 頁(yè)當(dāng)然，PLC 之間的通訊網(wǎng)絡(luò)是各廠家專用的，PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通訊，一些生產(chǎn)廠家采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，并向標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議靠攏，這將使不同機(jī)型的PLC 之間、PLC 與計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行通訊與聯(lián)網(wǎng)。 PLC 的選型考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元器件連接的靈活性和方便性，采用 PLC 作為核心控制器，各控制對(duì)象都必須在 PLC 的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作，所以 PLC 采用日本三菱公司的 FX2N32MR 型 PLC(16 點(diǎn)輸入、16 點(diǎn)輸出)。性能規(guī)格：FX2N 性能規(guī)格運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法 通過(guò)儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn) I/O 控制方法 批次處理方法（當(dāng)執(zhí)行 END 指令時(shí)） I/O指令可以刷新運(yùn)轉(zhuǎn)處理時(shí)間 基本指令： 應(yīng)用指令： 至幾百微秒 ，指令編程語(yǔ)言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進(jìn)梯形圖能生成 SFC 類型程序程式容量 8000 步內(nèi)置 。這就是接通電源后的初始操作（見圖） 。再做一道題，使它涉及各種指令和內(nèi)存單元，若解題時(shí)間在 to 以內(nèi)，則自身完好（否則，系統(tǒng)關(guān)閉） ，解題結(jié)束，將監(jiān)控定時(shí)器 to 復(fù)位，才開始正式運(yùn)行。PLC 的工作方式——（順序）周期循環(huán)掃描 掃描——按分時(shí)操作的原理，每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作，順序進(jìn)行，這種分時(shí)操作的過(guò)程稱“CPU 對(duì)程序的掃描”工作過(guò)程框圖：在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，經(jīng)過(guò)輸入調(diào)理電路（光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、濾波處理等）后進(jìn)入輸入緩沖器等待采樣。 當(dāng) CPU 采樣時(shí)，輸入信號(hào)便進(jìn)入輸入映像存儲(chǔ)器——刷新。在此期間，輸入映像存儲(chǔ)器將現(xiàn)場(chǎng)與 CPU 隔離，無(wú)論輸入信號(hào)如何變化，輸入映像存儲(chǔ)器中的內(nèi)容保持到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新采樣新的信號(hào)，即：輸入映像存儲(chǔ)器每周期刷新一次。b. 輸出映像存儲(chǔ)器及其刷新——CPU 數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果和最終結(jié)果的存放區(qū)域同理，CPU 不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，處理的結(jié)果存放在輸出映像存儲(chǔ)器中，直至所有程序執(zhí)行完畢，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容經(jīng)輸出鎖存器（稱為輸出狀態(tài)刷新）送到輸出端子上驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。c. 輸入/輸出狀態(tài)表——狀態(tài) RAM 表I/O 映像存儲(chǔ)器的內(nèi)容，在 CPU 中構(gòu)成 I/O 狀態(tài)表，其內(nèi)容是 CPU 處理用戶程序及數(shù)據(jù)的依據(jù)。正常：執(zhí)行完用戶程序所需的時(shí)間應(yīng)不超過(guò) t1。 若因偶然因素，則重新執(zhí)行程序?qū)⒄＃駝t，系統(tǒng)自動(dòng)停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負(fù)載，并發(fā)出故障信號(hào)等待處理。 機(jī)械手 機(jī)械手簡(jiǎn)介mechanical hand 也被稱為自動(dòng)手，auto hand 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。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)。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。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零部件。 (4)可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。1．執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動(dòng)作。支柱用來(lái)支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動(dòng)。常用機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)分機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。 機(jī)械手的選擇由于機(jī)械手是在搬運(yùn)中的應(yīng)用，所以采用傳送帶加旋轉(zhuǎn)的機(jī)械手類型。溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 19 頁(yè)第三章 設(shè)計(jì)主體部分 控制要求 開機(jī)時(shí)，若機(jī)械手停在初始位置，按下 SB0 起動(dòng)后，傳送帶 A 開始運(yùn)轉(zhuǎn)；并且機(jī)械手從右下限開始上升。升至上限碰壓 SQ1，SQ1 閉后，上升停止；機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)。降至下限碰壓 SQ3,SQ3 閉后，下降停止；傳送帶 B 開始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)夾緊度適當(dāng)時(shí)，SQ5 閉合，夾緊動(dòng)作停止；并開始上升。右旋至右限碰壓 SQ6,SQ6 閉時(shí)，右旋動(dòng)作開始停止；并開始下降。經(jīng)延時(shí)△t=3 秒時(shí)，放下物料的動(dòng)作結(jié)束。 I/O分配輸入端 輸出端X0 啟動(dòng) Y0 帶 A 轉(zhuǎn)X1 上限位 Y1 上升X2 左限位 Y2 左旋X3 下限位 Y3 下降X4 光電開關(guān) Y4 帶 B 轉(zhuǎn)X5 壓力繼電器 Y5 夾緊溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 20 頁(yè)X6 右限位 Y6 右旋X7 連續(xù)/單 Y7 放松X10 中斷X27 初始調(diào)試 梯形圖溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 21 頁(yè)溫州科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 22 頁(yè) 指令表0 LD X01 OR Y02 ANI X103 OUT Y04 LD X05 AND M5096 OR M5007 LDI X78 ANDP T010 ORB11 ANI M50112 OUT M50013 LD M50014 AND X115 OR M50116 ANI