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机械毕业设计全套

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JD01-067@机械手及控制系统设计,机械毕业设计全套

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微软用户 甠 o?u7b 甠 o?N 齎D o t u m d 槮 d 繻瞕 p瞕 _瞕 豞瞕 榒瞕 nts 湘潭大学兴湘学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 机械手控制系统设计 姓 名 王彬 学号 2010963125 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 机械四班 指导教师 徐志远 职称 讲师 填写时间 2014 年 03 月 19 日 2014年 3月 nts 说 明 1根据湘潭大学 毕业设计 (论文 )工作管理规定 ，学生必须撰写 毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。 2 开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答 辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计 (论文 )开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 2 4 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课题性质：可填写 A工程设计； B论文； C. 工程技术研究； E.其它。 (2) 课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题； C校级基金课题； D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。 nts 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 王彬 学 号 2010963125 专 业 机械设计制造 及其自动化 指导教师 徐志远 职 称 讲师 所在系 机电 系 课题来源 自拟课题 课题性 质 工程设计 课题名称 机械手控制系统设计 一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况 选题依据 随着社会进步和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化。从手工作坊式的劳动，逐步演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具 -机械手。 机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。研究和使用机械手可以实现现代化和自动化生产，从而减轻劳动强度和避免伤害。 课题的意义 机械手的 应用可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。研究和使用机械手可以提高生产效率，节约劳动成本，符合现代化生产的要求，同时还可以避免劳动者在生产中受到伤害。 国内外基本研究情况 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 B工业机器人 控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 nts C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人 开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 nts 二、研究内 容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案 和主要措施 研究内容 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的 选择 和软件的设计。 本课题所研究的是常见的搬运机械手，我们对其动作的自动化实现进行设计，其主要内容包括硬件的选择和软件的设计，硬件的选择主要有电机的选型，传动的实现，传感器的选择等等，而软件的设计其主要内容就是软件的选择，选用哪一种软件来进行自动化系统的设计和编写程序，以及最后的调试等。 预计达到目的 1. 上升，下降，夹紧等动作的实现手段。 2. 电动机正反转的控制。 3. 运用 PLC 控制动作的转换 4. 完成基本设计后要达到以下要求：实现原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作；搬运过程平稳可靠，断电情况下不会出现工件的脱落。 关键理论和技术 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在 PLC 程序控制的条件下，采用 机械 传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警 信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位 置 反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位 置 。 在这里虽然不对机械手的机械结构进行设计，但仍需对其有一定的了解，这里做简要介绍。 (一 )执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部即与物件接触的部件 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 (或手爪 ) 和传力机构所构成。 手指是由 夹持 nts 部件 和传力机构共同构成。 手指是与物件 直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手 臂 (包括大臂和 小臂 ) 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位臵。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 3、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机 构运动的。它由动力装 置 、调节装 置 和辅助装 置 组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 在这里选择采用电机驱动和机械传动方式。 (三 )控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。该机械手采用的是 PLC 程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制 nts 系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有 错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 . 技术指标 1在传输带 A 端部，安装了光电开关 PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为 ON 状态。 2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带 A 运转。当光电开关检测到物品后，传送带 A 停。 3传输带 A 停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带 A 上搬到传送带 B(连续运转）上 。 4.机械手返回原位后，自动再起动传送带 A 运转，进行下一个循环。 5按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。 6.机械手的上升下降和左移右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。 7.抓紧放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。 8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。 9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为 1s）。 完 成课题的方案和措施 研究步骤、方法： （ 1） 了解 执行机构： 1）多关节机械手； 2）多关节机械手的工作原理。 （ 2）硬件选择： 1） PLC 选型； 2）光电开关； 3）传感器； 4）各种电磁阀；5）继电器； 6）编码盘； 7）按钮。 （ 3）软件编程： 1）总体流程设计； 2）各模块梯形图设计； 3）系统调试。 nts 三、主要特色及工作进度 主要特色 机械手主要由执行机构，驱动机构和控制系统三部分组成。手部是用来抓持弓箭（或工具）的部件 ， 根据被抓持物件的形状，尺寸，重量，材料和作业要求而有多种结构形式，本设计中主要采用夹持型。运动机 构使手部能完成 实现原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作，完成搬运过程，计划设计运动机构时有三个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作。同时接收传感器反馈来的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心是由PLC 构成，通过对 PLC 编程实现所要的功能。 工作进度 （ 1） 2014 年 01 月 23 日到 2014 年 03 月 10 日 查阅资料，熟悉设计内容 （ 2） 2014 年 03 月 11 日到 2014 年 03 月 20 日 完 成开题报告，制定设计方案 （ 3） 2014 年 03 月 21 日到 2014 年 04 月 20 日 机械手结构及控制系统设计 （ 4） 2014 年 04 月 21 日到 2014 年 05 月 10 日 写出初稿 （ 5） 2014 年 05 月 11 日到 2014 年 05 月 20 日 修改，写出第二稿 （ 6） 2014 年 05 月 21 日到 2014 年 05 月 31 日 写出正式稿 （ 7） 2014 年 06 月 答辩 nts 四、主要参考文献 （按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1 王本轶 . 机床设备控制基础 M. 北京 : 机械工业出版社 , 2005: 283-288. 2 熊幸明 . 一种工业机械手的 PLC 控制 J. 微计算机信息 , 2006, 22(11): 120-122. 3 王炳实 . 机床电气控制 M. 第三版 . 北京 : 机械工业出版社 , 2004: 146-162. 4 蒋少茵 . PLC 控制的机械手 J. 微计算机信息 , 2002, 18(2): 20-22. 5 刘轩 , 王丽伟 . 机械手的 PLC 控制 J. 机床电器 . 2006, (3): 34-49. 6 郭剑晖 . 机械手 PLC 控制系统设计 D. 南昌 : 南昌大学 . 2012. 7 王永华 .现代电气控制及 PLC 应用技 术 M.北京航天航空出版社 .2009 8 郭艳萍 . 基于 PLC 的 工 业 机 械 手 控 制 系 统 J. 仪 表 技 术 与 传 感器 ,2007,9(9):31-32 9 蔡自兴 . 机 器 人 学 的 发 展 趋 势 和 发 展 战 略 J. 机 器 人 技 术 与 应用 ,2001,76(4):11-16. 10 王勤 .计算机控制技术 M南京 :东南大学出版社 , 2003. 11 /kns/brief/default_result.aspx 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 系意见 系主任签名： 年 月 日 院意见 教学院长签名： 年 月 日 nts1 毕业设计说明书 题 目： 机械手控制系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 05月 20日 nts2 论文（设计）题目： 机械手控制系统设计 学号： 一、主要内容及基本要求 机械手在专用机床及自动线上应用十分广泛，主要用于搬运或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。 1、对机械手及控制系统进行设计：实现原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作；搬运过程平稳可靠。 2、绘制一张总装配图。 3、独立完成程序控制设计，设计符合控制要求的程序。 4、论文字数要求： 8000 字以上。 二、重点研究的问题 1、选用常见的搬运机械手进行研究，实现其功能。 2、上升、下降、夹紧等动作的实现手段。 3、电动机正反转的控制。 4、运用 PLC 控制动作的转换。 nts3 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅资料、熟悉设计内容 2013.12.21-2014.1.22 2 开题报告、制订设计方案 2014.1.232014.3.10 3 机械手结构及控制系统设计 2014.3.112014.4.20 4 写出初稿 2014.4.212014.5.10 5 修改，写出第二稿 2014.5.112014.5.20 6 写出正式稿 2014.5.212014.5.31 7 答辩 2014.6 8 四、应收集的资料及主要参考文 献 1 王本轶 . 机床设备控制基础 M. 北京 : 机械工业出版社 , 2005: 283-288. 2 熊幸明 . 一种工业机械手的 PLC 控制 J. 微计算机信息 , 2006, 22(11): 120-122. 3 王炳实 . 机床电气控制 M. 第三版 . 北京 : 机械工业出版社 , 2004: 146-162. 4 蒋少茵 . PLC 控制的机械手 J. 微计算机信息 , 2002, 18(2): 20-22. 5 刘轩 , 王丽伟 . 机械手的 PLC 控制 J. 机床电器 . 2006, (3): 34-49. 6 郭剑晖 . 机械手 PLC 控制系统设计 D. 南昌 : 南昌大学 . 2012. nts4 毕业论文（设计）题目： 机械手控制系统设计 评价项目 评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 论文 （设计）质 量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 综 合 评 价 评阅人： 2014 年 月 日 nts5 论文（设计）题目： 机械手控制系统设计 内容提要： 机械手在现代化自动化生产中应用极为广泛，它的应用和普及为自动化生 产，安全生产提供了有力的条件，其中在机械手的应用和普及中最为核心的就是机械手 的控制系统，控制系统是机械手的大脑和灵魂，它指挥着机械手完成特定的动作，实现 其相应的功能，在本次设计中，机械手的主要 作用是进行搬运，因此其实现的动作有 原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位 ，这些动作的实现 使得机械手能过完整地完成一次物件的搬运，从而节约物力和人力，有利于提高生产效 率，节约成本。该机械手的形状和构成如附件 1 中图所示，而其控制功能的实现，这里 选用的是西门子公司的 S7-200 软件，通过编写的程序（如附件 2， 3），控制系统指挥 各电子元件来完成其功能。 nts6 指导教师评语 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 nts7 目 录 第 1章 绪论 1 1.1 课题研究目的及意义 1 1.2 国内外机械手研究概况 1 1.3 课题研究的内容和预计达到目的 2 第 2章 机械手介绍 3 2.1 机械手驱动系统选型 3 2.2 机械手控制系统选型 5 第 3章 S7-200系统的基本介绍 8 3.1 S7-200硬件系统基本构成 8 3.2 S7-200PLC内部资 源 9 第 4章 电机和传感器选择 11 4.1 电机选择 11 4.2 传感器选择 12 第 5章 控制部分设计 14 5.1 电机正反转的实现 14 5.2 PLC程序编写 15 5.3 PLC程序调试 24 第 6章 总结 26 致谢 27 主要参 考文献 28 nts8 第 1 章 绪论 1.1课题研究的目的和意义 机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手 广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。 可编程序控制器 (PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展， PLC 在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步 ，已经成为工厂自动化的标准配置之一。 由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用 PLC。机械手在美国、加拿大等国家应用较多，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低，因此用 PLC来控制的机械手还比较少。本次课题设计的机械手就是通过 PLC 来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步学习 PLC 的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践。 1.2 国内外机械手研究概况 机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过 40 多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是 能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。 目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，nts9 作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手 的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。 国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制 造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。 1.3 课题研究的内容和预计达到目的 本课题主要研究的是基于 PLC 的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计编制 PLC程序实现机械手模型控制系统的自动控制。利用组态软件 MCGS 设计出人机界面，进行设备和数据对 象的连接，实现动画连接，实现机械手的监控。通过 MCGS 将机械手的动作过程进行动画演示，使机械手的动作形象化。提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。 本课题要达到的目的有： 1.机械手的机构能满足其动作要求，实现相应功能。 2.上升，下降，夹紧等动作的实现手段。 3.电动机正反转的控制。 4.运用 PLC控制动作的转换 4.完成基本设计后要达到以下要求：实现原位下降夹紧上升右移下降放松上升左移原位的动作；搬运过程平稳可靠，断电情况下不会出现 工件的脱落。 nts10 第 2 章 机械手介绍 在本课题中机械手 主要是由执行机构，控制系统， 驱动系统三部分所构成。其中执行机构即机械手的机械部分，由于此课题主要研究的是通用机械手的控制系统设计，所以在这里不需要再另外进行机械部分的设计，所以这里只做简要的介绍。顾名思义在本课题中 执行机构即是指机械手，而机械手又由手指，关节，大臂，小臂，支座等几部分构成，通过这几部分来模拟人手臂，以期完成需要的动作实现其功能。与此同时在该装置中驱动系统主要采用电机驱动，通过电机来给予整个装置提供动力和运动支持，它的选择是经过与 其他驱动方式相互比较后得来的，这一点在后面的论文中会有详细的介绍。最后关于机械手的控制系统的选择及其 控制功能的实现，由于 PLC 软件 具有 简单易学 ， 使用和维护方便 ， 运行稳定可靠 ， 设计施工周期短 等优点，因此这里选择的是 PLC（可编程逻辑控制器）控制系统。 2.1机械手驱动系统选型 该机械手 一共具有三 个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要 三 个动力源。 机械手 常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见 表 1 表 2-1三种驱动方式的特点对照 内容 驱动方 式 液压驱动 气动驱动 电 机 驱动 输出功率 很大，压力范围为 50 140Pa 大，压力范围为48 60Pa，最大可达 Pa 较大 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 nts11 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除 DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa(10 个大气压 )时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能 较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业 机械手 中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂 机械手 、点焊 机械手 和托运 机械手 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制 机械手 ，如冲压机械手 本体的气动平衡及装配 机械手气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的 机械手 ，如 AC 伺服喷涂 机械手 、点焊 机械手 、弧焊 机械手 、装配 机械手 等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较 复杂 机械手 驱动系统各有其优缺点，通常对 机械手 的驱动系统的要求有： 1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制nts12 动，正、反转切换； 3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）安全可靠； 5）操作和维护方便； 6）对环境无污染，噪声要小； 7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和 机械手 驱动系统的设计要求，本文选用电机驱动的方式对 机械手 进行驱动。 2.2机械手控制 系统选型 传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷：（ 1）仅适合于简单的逻辑控制；（ 2）仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；（ 3）没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点：（ 1）硬件上至少有一个微处理器；（ 2）通过软件实现控制思想。目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：（ 1）可编程序逻辑控制器（ PLC）；（ 2）工业控制计算机（ IPC）；（ 3）集散控制系统（ DCS）。 下面对着三种控制方式做简要的介绍和对比： 计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。 PLC 是 由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调nts13 节等功能，增加了模拟量和 PID 调节等功能模块；运算速度提高， CPU 的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络 (LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到 PLC 系统中。 PLC 在过程控制的发展将是一智能变送器和现场 总线，暨向下拓展功能，开放总线。 在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看， PLC、工业计算机、集散系统 (DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和 I/O模件组成。编程方面也有很多相同点。 由于 PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。 PLC 用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。 特别需要提出的是， PLC 与 STD 总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。 PLC 更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于 STD工控机，但是从开关量控制而言， PLC的性能优于 STD 工控机。 总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品。 PLC 实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用 PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。 PLC自问世以 来，经过 20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前， PLC 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。 PLC 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力。编程安装使用简便、低价格长寿命。比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC 的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的 微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。 nts14 PLC 具有很多的优点。机械手控制系统若采用 PLC 控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。由于 PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。机械手采用 PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，用 PLC控制系统可方便地更 改生产流程，增强控制功能。 综上所述，机械手的控制方式选择 PLC 控制 (这里采用最新版的 S7-200系列 PLC). nts15 第 3 章 S7-200系统的基本介绍 S7-200PLC 是德国西门子公司生产的一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC的水平，而价格却和小型 PLC一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。在 2000年以前，西门子在中国市场的 PLC 产品主要是大中型的 PLC，日本的小型 PLC 占据了中国的大部分市场份额。在 S7-200 推出后，这种情况得到了明显的改变，最近几年以来的小型 PLC市场上 S7-200成为了主流产品。 西门子最早的小型 PLC产品是在上世纪末推出的 S7-200CPU21*系列的 PLC，但很快就被 CPU22*系列的产品所取代了。由于它具有多种功能模块和人机界面（ HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。现在最新版的 S7-200系列 PLC是在 2004年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性，丰富的指令集，丰富的内置集成功能 ，实时特性强和 强大的通信能力。 3.1 S7-200硬件系统基本构成 S7-200PLC属于小型 PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入 /输出（ I/O）点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果 I/O 点数量不够，则可以增加 I/O 扩展模块；如果需要其他特殊的功能，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成由主机单元，扩展单元，特殊功能模块，相关设备，软件五部分构成 ，其构成如 图 3-1所示。 图 3-1 nts16 主机单元 ： 又叫基本单元或 CPU模块。它是由 CPU、存储器、基本输入 /输出点和电源等组成， 是 PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。 扩展单元： 也称扩展模块。当主机 I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种 I/O 模块。根据 I/O 点数的数量不同（如 4 点， 8 点， 16 点等），性质不同（如 DI,DO,AI,AO 等），供电电压不同（如 DC24V,AC220V等）， I/O 扩展模块有多种类型。每个 CPU所能链接的扩展单元的数量和实际所能用的 I/O点数是由多种因素共同决定的。 S7-200的 I/O 扩展模块有 EM221， EM222， EM223， EM231,EM232， EM235等。 在此次的控制系统设计中 由于其主程序的网络有三十多条但 PLC 只提供了 25 条输入网络因此需要用到一个输入扩展模块 EM221，这里选择使用一个 16点的 DC。 特殊功能模块： 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块，特殊通信模块等。 相关设备： 相关设备是为充分利用系统的硬件和软件资源而开发，使用的一些设备，主要有编程设备，人机操作界面和网络设备等。 软件： 软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对 S7-200PLC来说，与其配套的软件主要有编程软件 STEP7-Micro/WIN 和 HMI 人机界面的组态编程软件ProTool， WinCC fexible。 在这里选用的是 STEP7-Micro/WIN软件。 3.2 S7-200PLC内部资源 软元件： 用户使用的 PLC 中的每一个输入 /输出，内部存储单元，定时器等都称作软元件。软元件有其不同的功能，有固定的地址。软元件的数量决定了可编程控制器的规模和数据处理能力，每一种 PLC的软元件数量是有限的。 在该设计方案中，需要用到的软元件有输入继电器，输出继电器，通用辅助继电器，变量存储 器，定时器等。 1.输入继电器位于 PLC 存储器额的输入过程映像寄存器（ Process-Image Input Register）区，其外部有一对物理的输入端子与之对应，该触 点用于接收外部的开关信号，比如按钮，行程开关，光电开关等传感器的信号都是通过输入继电器的物理端子接入到 PLC的。当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触电闭合，常闭触电断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 每个输入继电器都对应有一个映像寄存器，在每个扫描周期的开始， PLC 对个输入点进行采样，并把采样 值通过输入继电器送到映像寄存器。 PLC 在接下来的本周期各阶nts17 段不在改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。 实际输入点数不能超过 PLC所提供的具有外部接线端子的输入继电器的数量，具有地址而未用 的输入映像区可能有剩余，它们可以做其他编程元件使用，但为了程序的清晰和规范，建议不报这些未用的输入继电器作为它用。 2.输出继电器位于 PLC存储器的输出过程映像寄存器（ Process-Image Outout Register）区，都有一个 PLC上的物理输出端子与之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得 电时，PLC 上的输出端开关闭合，可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触电闭合，常闭触电断开。这些内部的触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出继电器，而只是输出映像寄存器；只有在每个扫描周期的最后阶段才将输出映像寄存器中的结果同时送到输出锁存器，对输出点进行刷新。实际输出点数不能超过 PLC所提供的具有外部接线端子的输入继电器的数量，未用的输出映像寄存器可做它用；但为了程序的清晰和规范，建议不使用这些未用的输出继电器。 3.通用辅助继电器（或中间继电器）位 PLC 存储器的位存储器（ Bit Memory Area）区，其作用和继电器接触器控制系统中的中间继电器相同，它在 PLC中没有外部的输入端子或输出端子与之对应，因此它不能受外部信号的直接控制，其触点也不能直接驱动外部负载。这是它与输入继电器和输出继电器的主要区别。它主要用来在程序设计中处理逻辑控制任务。 4.变量存储器（ Variable Memory）用来存储变量的值，他可以存放程序执行过程中的控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。 这些数据或值可以是数值，也可以是“ 1”或“ 0”这样的位逻辑值。在进行数据处理时或使用大量的存储单元逻辑时，变量存储器会经常使用。 5.定时器 (Timer)是可编程序控制器中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。 定时器的工作过程与继电接触控制系统的时间继电器基本相同，但他没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值，当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从 0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值 时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以完成所需要的定时控制任务。 nts18 第 4 章电机和传感器选择 4.1电机选择 步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。驱动器参数如下表 4-1、表 4-2、表 4-3、表 4-4 所示。 PLC 控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图 4-2 所示。步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用 +24V 供电，需加 1.5K 限流电阻（见图 4-2 中 1.5K电阻）。驱动器输入端为低电平有效。 PLC 通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当 PLC 输出线圈得电 表 4-1 电气规格 说明 最小值 典型值 最大值 单位 供电电压 18 24 40 V 均值输出电流 0.21 1 1.50 A 逻辑输入电流 6 15 30 mA 步进脉冲响应频率 100 kHz 脉冲低电平时间 5 1 s 表 4-2 电流设定 电流值 SW1 SW2 SW3 0.21A OFF ON ON 0.42A ON OFF ON 0.63A OFF OFF ON 0.84A ON ON OFF 1.05A 0FF ON OFF 1.26A ON OFF OFF 1.50A OFF OFF OFF 表 4-3 细分设定 细分倍数 步数 /圈（ 1.8 整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部确定 动态改细分 /禁止工作 OFF OFF OFF nts19 表 4-4 接线信号描述 信 号 功 能 PUL 脉冲信号：上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步 DIR 方向信号：用于改变电机转向， TTL 平驱动 OPTO 光耦驱动电源 ENA 使能信号：禁止或允许驱动器工作，低电平禁止 GND 直流电源地 +V 直流电源正极，典型值 +24V A+ 电机 A相 A- 电机 A相 B+ 电机 B相 B- 电机 B相 时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当 PLC 输出线圈失电时，晶体管关断，使驱动器 光耦截止。另外若不采用驱动器，而采用 PLC 输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。 图 4-1 PLC 控制器与步进电机驱动器连接及工作原理 nts20 4.2传感器选择 本装置中使用的传感器有接近开关和行程开关。基座和气夹的正反转限位采用接近开关（金属传感器），通过调整基座和气夹上的金属块的位置，可以在一定范围内改变基座 图 4-2 传感器工作原理图 和气夹的旋转角度。机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变行程开关的位置来调节横轴和竖轴 的运动范围。 1、接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC 之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。 PLC 内部光耦与传感器电源构成回路， PLC 信号输入有效，工作原理如上图所示。 2、行程开关：当档块碰到开关时，常开点闭合。 nts21 第 5 章控制部分设计 机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。控制系统可根据动作 的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。 分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可 ，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。 对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运动一周便完成一个循环。 5.1电机正反转的实现 由于搬运 机械手的工作是一种往复运动，就要求电动机能可逆运行。由电动机原理可知，三相异步电动机的三相电源进线中任意两相对调，电动机即可反向运转。因此，可借助接触器改变定子绕组相序来实现正反向的切换工作，其线路如图 5-1所示。 当出现误操作，即同时按正反向启动按钮 SF2 和 SF3 时，若采用 5-1（ a）所示线路，将造成短路故障，如图中虚线所示因此正反相间需要有一种连锁关系。通常采用图 5-1（ b）所示的电路，将其中的一个接触器的常闭触点串入另一个接触器线圈电路，则任一接触器线圈先带电后，即使按下相反方向按钮，另一接触器也无法 得电。这种连锁通常称作互锁，即两者存在相互制约的关系。工程上通常还使用带有机械互锁的可逆接触器，进一步保证两者不能同时通电，提高可靠性。 图 5-1（ b）所示的电路要实现反转运行，必须先停止正转运行，再按反向启nts22 动按钮才行，反之亦然。所以这个电路称作“正 -停 -反”控制。图 5-1（ c）所示的电路可以实现不按停止按钮，直接按方向按钮就能使电动机反向工作。这个电路称作“正 -反 -停”控制。 在这里我们选择图 5-1（ c）所示的电路图 。 图 5-1正反向工作的控制线路 5.2 PLC程序编写 （ 1）输入 /输 出点地址分配 输入点： 输出点： 启动按钮 SF1 I0.0 原始位置指示灯 PG Q0.0 停止按钮 SF2 I0.1 抓放物体手指 MB Q0.1 上限位开关 BG1 I0.2 下行接触器 QA1 Q0.2 下限位开关 BG2 I0.3 上行接触器 QA2 Q0.3 左限位开关 BG3 I0.4 右行接触器 QA3 Q0.4 nts23 右限位开关 BG4 I0.6 左行接触器 QA4 Q0.5 （ 2）系统功能如图 5-2所示，梯形图如图 5-3所示 ，语句表如图 5-4所示。 （ 3）简要说明 a在机械臂上、下、左、右行走的控制中，使用了一个软件连锁粗点，替代了 SM0.0. b.S7-200PLC的顺控指令不支持直接输出（ =）的双线圈操作。如果在图 5-2中的状态 S0.1的 SCR 段有 Q0.2（下行）输出，在状态 S1.0的 SCR段也有 Q0.2输出，则不管在什么情况下，在前 面的 Q0.2永远不会有效。这是 S7-200PLC 顺控指令设计方面的缺陷，给用户的使用带来了极大的不便。所以在使用 S7-200PLCD的顺控指令时一定不要有双线圈输出。为解决这个问题，可采用中间继电器逻辑过渡一下 。凡是有重复使用的相同输出驱动，在 SCR段中先用中间继电器表示其分段的输出逻辑，在程序的最后再进行合并输出处理。但左行时只有在状态 S1.3中用到了 Q0.5，所以就不用中间过渡处理了。 图 5-2 机械臂装置功能图 nts24 nts25 nts26 nts27 nts28 图 5-3机械臂装置梯形图 nts29 nts30 nts31 图 5-4 机械臂装置语句表 5.3 PLC程序调试 由于 PLC是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证 PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论 PLC 设计调试就具有十分重要的意义。 1、 输入接线 （ 1）输入接线一般不要超过 30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线nts32 可适当长些。 （ 2） 输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （ 3）利用普通 二极管恰当的串接在 PLC 输入回路中，防止信号干扰，使 PLC 输入信号大大增强。 2、电源接线 电源是 PLC 引入干扰的主要途径之一， PLC 应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高 PLC 的可靠性有很大帮助。 PLC 的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。隔离变压器是初级和次级之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或同等非导磁材料组成， 电