【正文】 ....................................................................24 機(jī)械手 1 控制程序 ........................................................................................24 機(jī)械手 2 控制程序 ........................................................................................27 機(jī)械手 3 控制程序 ........................................................................................30 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 機(jī)械手群主程序 ............................................................................................33 第 5 章 結(jié)論 ...............................................................................................................36 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................37 致 謝 ..........................................................................................................................38 附 錄Ⅰ ......................................................................................................................39 附 錄Ⅱ ......................................................................................................................54 附 錄Ⅲ ......................................................................................................................59 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1章 緒 論 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。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)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。 機(jī)械手最早 應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、 汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，伴隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)也不斷創(chuàng)新，以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，得到了前所未有的 發(fā)展。 “ Pneumatics”一詞起源于希臘文的“ Pneuma” ，其原義為“呼吸”，后來(lái)才一演變成“氣動(dòng)技術(shù)”。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)己經(jīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造理念，正在IC/LCD、微電子、生物制藥、醫(yī)療機(jī)械等高技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國(guó)家，氣動(dòng)元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，而且仍以較快的速度在發(fā)展。氣動(dòng)技術(shù)正朝著精確化、高速化、小型化、復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及交流伺服電機(jī)。這類機(jī)械手的特點(diǎn)是控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。因此，人們開始尋求其它一些經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式。 氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要實(shí)用技術(shù)。 表 各種控制方式的比較 項(xiàng)目 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 電氣傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 續(xù)表 動(dòng)作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 維護(hù) 簡(jiǎn)單 比氣動(dòng)復(fù)雜 需要專門技術(shù) 簡(jiǎn)單 價(jià)格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險(xiǎn)性 幾乎沒問(wèn)題 注意火 一般無(wú)問(wèn)題 無(wú)特殊問(wèn)題 氣動(dòng)機(jī)械手是在己有的機(jī)械手基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)代氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。人們根據(jù)應(yīng)用 情 況的要求，選擇相應(yīng)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(jìn)的設(shè)計(jì)思想，代表氣動(dòng)機(jī)械手今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性。 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 盡管世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，使得氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展受到一定的影響，然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展勢(shì)不可擋。 本 論 文所針對(duì)的機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式，如圖 所示，機(jī)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(yùn)動(dòng)，手部可夾緊 /放松。氣缸由電 磁閥控制。 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理 本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)，使用的是壓力為 0. 6 MPa，最高可達(dá) 1 Mpa。機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸由電磁閥控制，整個(gè)機(jī)械手在工作中能實(shí)現(xiàn)上升 /下降、左 旋轉(zhuǎn) /右 旋轉(zhuǎn) 、夾緊 /放松功能，是目前較為簡(jiǎn)單的、應(yīng)用比較廣泛的一種機(jī)械手。 圖 其升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)升降氣缸、垂直導(dǎo)柱 、滑動(dòng)導(dǎo)柱、垂直導(dǎo)軌及升降位置微動(dòng)開關(guān)相互配合完成，升降工作行程為 0~1500mm。手部 是通過(guò)氣缸、彈簧的作用來(lái)夾持物品，夾持力是靠調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來(lái)調(diào)整。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。每個(gè)機(jī)械手的手部正下方都有工作臺(tái)，用于 放置物品。機(jī)械手把物品從右面的工作臺(tái)上移到左面的工作臺(tái)上。 本論文的主要內(nèi)容及達(dá)到的目標(biāo) 本 論文主要內(nèi)容是以氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手作為控制對(duì)象，用 PLC作為控制器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手群自動(dòng)運(yùn)行的控制。 每個(gè)機(jī)械手的完成 8 個(gè)基本操作，第 1 步當(dāng)工作臺(tái)上有物品時(shí)，機(jī)械手下降。第 3 步是機(jī)械手夾緊物品上升。第 5步是機(jī)械手夾緊物品下降。第 7步機(jī)械手上升。 本系統(tǒng)的控制方案 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手群的自動(dòng)控制，本系統(tǒng)采用 PLC 做控制器。系統(tǒng)框圖如圖 所示 。國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）在 1985年的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第 3稿中，對(duì) PLC 作了如下定義：“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)。并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?！? 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同。 PLC 具有如下特點(diǎn)： 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。 體積小，能耗低。但最近十年來(lái)， PLC的應(yīng)用面越來(lái)越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價(jià)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(fù)雜的計(jì)算和通信問(wèn)題。 PLC 的應(yīng)用范圍通常分成以下 5 種類型： 順序控制 這是 PLC 應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合 PLC 使用的領(lǐng)域，它用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、訂書機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，位置控制模塊比 CNC 裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作更方便， 過(guò)程控制 PLC 還能控制大量的過(guò)程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。當(dāng)過(guò)程控制中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)， PID 控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。 通信控制 PLC 的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程 I/O 的通信、多臺(tái) PLC 之間的通信、 PLC和其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、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專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型 的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由 CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入 /輸出接口電路等組成。 中央處理單元（ CPU） 中央處理單元（ CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。 存儲(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng) 工作。第一部分為系統(tǒng)管理程序。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用。用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的 PLC 編程語(yǔ)言編寫的各種用戶程序。用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。第一種是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM）；第二種是只讀存儲(chǔ)器（ ROM）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器（ EEPROM 或 EPROM）。 PLC 的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。 輸入模塊用于處理輸入信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號(hào)的邏輯 值安全可靠地傳遞到 PLC 內(nèi)部。 電源模塊 PLC 一般使用 220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為 PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供 5V、177。 接口模塊 接口模塊用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 PLC通過(guò)接口可以與監(jiān)視器 、 打印機(jī)和其他的 PLC 或計(jì)算機(jī)相連。 編程器有簡(jiǎn)易型和智能型兩類。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有 LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過(guò)屏幕對(duì)話 其他部分 有些 PLC 還可配有 EPROM 寫入器、存儲(chǔ)器等其他外部設(shè)備。 PLC 工作的全過(guò)程可用圖 所示的運(yùn)行框圖來(lái)表示。掃描周期 是 控制過(guò)程中一個(gè)比較重要的技術(shù)指標(biāo)。 PLC 的 過(guò)程可分為三部分。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 PLC運(yùn)行框圖 電源 ON 內(nèi)部處 理 輸入處理 (輸入傳送 \遠(yuǎn)程 I/O) 通信服務(wù) (外設(shè)、 CPU、總線服務(wù) ) 更新時(shí)鐘、特殊寄存器 執(zhí)行程序 執(zhí)行自診斷 存放自診斷錯(cuò)誤結(jié)果 CPU 強(qiáng)制為 STOP RUN STOP Y N N Y 輸出處理 致命錯(cuò)誤 PLC 正常否 CPU 運(yùn)行方式 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 輸入 /輸出信號(hào) 本控制系統(tǒng) 有 27 個(gè)輸入開關(guān)量，分別為 ： 系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕 1 個(gè) 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)； 系統(tǒng)停止按鈕 1 個(gè) 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的停止； 選擇按鈕 1 個(gè) 負(fù)責(zé)機(jī)械手自動(dòng)控制和檢測(cè)的切換； 機(jī)械手的啟動(dòng)按鈕 3 個(gè) 負(fù)責(zé)檢測(cè)時(shí)每個(gè)機(jī)械手的啟動(dòng)； 機(jī)械手的停止按 鈕 3 個(gè) 負(fù)責(zé)檢測(cè)時(shí)每個(gè)機(jī)械手的停止； 物品檢測(cè)開關(guān) 3 個(gè) 負(fù)責(zé)檢測(cè)工作臺(tái)上是否有物品； 下降限位開關(guān) 3 個(gè) 負(fù)責(zé) 檢測(cè) 機(jī)械手到 達(dá) 最低位置； 夾放檢測(cè)開關(guān) 3 個(gè) 負(fù)責(zé)機(jī)械手夾放物品的檢測(cè)； 上升限位開關(guān) 3 個(gè) 負(fù)責(zé) 檢測(cè) 機(jī)械手到 達(dá) 最高位置； 右旋限位開關(guān) 3 個(gè) 負(fù)責(zé) 檢測(cè) 機(jī)械手 是否右旋轉(zhuǎn) 180176。 ； 建立輸入信號(hào)名稱與電氣符號(hào)表 。 建立輸 出 信號(hào)名稱與電氣符號(hào)表 。 本文選擇的是德國(guó)的西門子公司生產(chǎn)的 S7–200PLC。特別是 S7– 200CPU22*系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)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(luò)。 CPU22*系列 PLC 它有如下五種不同結(jié)構(gòu)的配置單元： CPU221，它具有 6輸入 /4輸出， I/O 共計(jì) 10點(diǎn)，無(wú)擴(kuò)展能力； CPU22