畢業(yè)設(shè)計-----plc控制齒輪機(jī)械手自動升降設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域?？删幊炭刂破鳎≒LC）已在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用。論文以三菱FX2N型PLC為基礎(chǔ)，介紹PLC在機(jī)械手搬運(yùn)控制中的應(yīng)用，設(shè)計了一套可行的機(jī)械手控制系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的PLC程序。介紹了一種基于PLC控制的氣動機(jī)械手的設(shè)計，詳細(xì)介紹了氣動機(jī)械手的

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、氣壓傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計等具體內(nèi)容。介紹了氣動機(jī)械手的動作順序及其應(yīng)用PLC進(jìn)行控制的設(shè)計方法，建立了相應(yīng)的氣動原理圖，確定了PLC的輸入∕輸出量，建立了PLC控制的硬件接線圖及相應(yīng)的控制流程圖。通過PLC的軟件程序控制各電磁閥，驅(qū)動氣缸動作，從而控制機(jī)械手的動作。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參

3、數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：氣動機(jī)械手 PLC 氣壓傳動</p><p><b>　　英文摘要</b></p><p>　　Abstract: The manipulator is a new device developed in the automatic production process. It is widely used i

4、n industrial producing and other fields. Programmable Logic Controller (PLC), has been widely used in industrial producing as well. Based on the PLC of SanLing FX2N type,this paper introduces PLC application in manipulat

5、or transportation control system.The design of pneumatic manipulator based on PLC control eas introduced.The structural design,operational principle,pneumatic transmission </p><p>　　Keywords:pneumatic manipu

6、lator ;PLC ; pneumatic trasmission</p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要2</b></p><p><b>　　第一章 前言3</b></p><p>　　第二章 機(jī)械手概述4</p&g

7、t;<p>　　2.1工業(yè)機(jī)械手的簡史5</p><p>　　2.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用意義及在生產(chǎn)中的應(yīng)用6</p><p>　　2.2.1機(jī)械手的應(yīng)用意義6</p><p>　　2.3 機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.4 機(jī)械手的組成8</p><p>　　2.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)8&l

8、t;/p><p>　　2．4.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)9</p><p>　　2.4.3控制機(jī)構(gòu)9</p><p>　　2.5 機(jī)械手的分類9</p><p>　　2.6 機(jī)械手的發(fā)展趨勢10</p><p>　　2.6.1氣動機(jī)械手的研究與發(fā)展12</p><p>　　第三章 可編程控制器12&l

9、t;/p><p>　　3.1 PLC的特點(diǎn)13</p><p>　　3.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域14</p><p>　　3.4 PLC的發(fā)展16</p><p>　　3.5可編程控制器的組成17</p><p>　　3.6 PLC工作原理18</p><p>　　第四章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的確定

10、19</p><p>　　4.1機(jī)械手性能參數(shù)列表19</p><p>　　4.2 機(jī)械手驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇20</p><p>　　4.3 機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)的選擇20</p><p>　　4.4 機(jī)械手的運(yùn)動自由度20</p><p>　　4.5機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇及手部形式的選擇21</p>&

11、lt;p>　　4.5.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇21</p><p>　　4.5.2機(jī)械手手部形式的選擇及其計算23</p><p>　　第五章 氣動系統(tǒng)設(shè)計及元器件的選擇26</p><p>　　5.1 氣壓傳動系統(tǒng)原理26</p><p>　　5.2 氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計26</p><p>　　5.3 氣

12、動系統(tǒng)元器件的選擇27</p><p>　　第六章 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計28</p><p>　　6.1氣動機(jī)械手控制要求28</p><p>　　6.2確定PLC所需的I/O點(diǎn)個數(shù)及PLC型號的選擇29</p><p>　　6.3 PLC的程序設(shè)計31</p><p>　　6.4 利用 PLC進(jìn)行氣動

13、機(jī)械手控制的特點(diǎn)34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　第一章 前言</b></p>&l

14、t;p>　　機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物﹑裝配﹑切割﹑噴染等，應(yīng)用很廣泛，尤其是在危險的場合，嚴(yán)重威脅人們安

15、全和健康的環(huán)境下，采用機(jī)械手代替人，具有十分重要的意義。</p><p>　　各種類型的機(jī)械手是自動化生產(chǎn)中必不可少的重要設(shè)備。而各種應(yīng)用場所的機(jī)械手，其原理﹑結(jié)構(gòu)及功能是一致的。</p><p>　　PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息；PLC采用

16、光電隔離和濾波技術(shù)技術(shù)有效抑制外部干擾源對PLC的影響，此外PLC還可在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；編程簡單，易于掌握；設(shè)計安裝容易，維護(hù)工作量少；功能強(qiáng)、通用性好；開發(fā)周期短，功耗小。本課題對現(xiàn)代工業(yè)的的發(fā)展具有很重要的意義。可編程序控制器PLC控制的物料搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設(shè)計合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。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)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和

17、計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定餓工序動作，可以簡化控制電路，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。PLC控制機(jī)械手，可以提高工業(yè)機(jī)械手的整體技術(shù)性能起到良好的作用，它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，且測試精確，運(yùn)行高速可靠</p><p>　　在此次設(shè)計中，我所做的機(jī)

18、械手PLC控制的物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用氣動的驅(qū)動方式。氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單﹑重量輕﹑等你工作迅速﹑平穩(wěn)﹑可靠﹑節(jié)能和部污染環(huán)境而被廣泛采用。</p><p><b>　　第二章 機(jī)械手概述</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)械手是五十年代末才發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期

19、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，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強(qiáng)度的同時， 大大提高了勞動生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費(fèi)時費(fèi)工、效率低; 后者因設(shè)計復(fù)雜， 需較多繼電器，接線繁雜，易受車體振動干擾，而存在可靠性差、故障

20、多、維修困難等問題。</p><p>　　機(jī)械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對機(jī)械手表現(xiàn)出越來

21、越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸と肆魇矢?，以及為工人交工傷費(fèi)帶來的挑戰(zhàn)?！　‰S著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。</p><p>　　2.1工業(yè)機(jī)械手的簡史</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)

22、產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化。</p><p>　　機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲

23、裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。</p><p>　　1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。</p&

24、gt;<p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。</p><p>　　美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可

25、靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。</p><p>　　德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p><p>　　瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。</p&

26、gt;<p>　　瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。</p><p>　　日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序

27、約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。</p><p>　　第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電

28、子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。</p><p>　　第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturin

29、g Cell)中重要一環(huán)。</p><p>　　隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。</p><p>　　2.2工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用意義及在生產(chǎn)中的應(yīng)用</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。&

30、lt;/p><p>　　2.2.1機(jī)械手的應(yīng)用意義</p><p>　　在工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：</p><p>　　一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。</p><p&

31、gt;　　二、以改善勞動條件，避免人身事故</p><p>　　在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。</p><p>　　在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事

32、故。</p><p>　　三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。</p><p>　　綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手

33、，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。</p><p>　　2.2.2機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作

34、?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中

35、用于提取高溫熔液等等。 1  建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號和5號電動機(jī)加工自動線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動線（盤類）等。</p><p>　　2.3 機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　一個機(jī)器人系統(tǒng)一般由四個相互作用的部分組成，

36、即機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)和控制器。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的本體機(jī)械系統(tǒng)即為通常的機(jī)械手裝置，他由肩、臂、腕、機(jī)身或行走機(jī)構(gòu)組成，組合為一個相互依賴的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。</p><p>　　環(huán)境即指機(jī)器人所處的周圍狀態(tài)，環(huán)境不僅由機(jī)和條件決定，而且有環(huán)境和它所包含的每個事物的全部自然特性決定。</p><p>　　機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)中的任務(wù)一般定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)（初始狀態(tài)

37、和目標(biāo)狀態(tài)）間的差別，必須用適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言來描述，并能為計算機(jī)所理解。</p><p>　　機(jī)器人控制器一般為控制計算機(jī)，接收來自傳感器的信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存信息，即機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，生成控制信號來驅(qū)動機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)運(yùn)動。</p><p>　　2.4 機(jī)械手的組成</p><p>　　機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成。</p

38、><p><b>　　2.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　?。?）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手</p><p>　　部多為兩指（也有多指）；常用的手部按其握持原理不同，可分為夾鉗式手部和吸附式手</p><p>　　部兩大類。夾鉗式手部與人手相似，是工業(yè)機(jī)器人廣

39、為應(yīng)用的一種手部形式。按其夾持方式的不同，可分為內(nèi)撐式和外夾式兩種，兩者的區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作的方向相反。吸附式手部也主要分為兩種，即氣吸式和磁吸式。氣吸式是指用負(fù)壓吸盤吸附工件，其吸附的工件適用于薄鐵片、板材、紙張、薄而易碎的玻璃器皿和弧形殼體零件等的抓取磁吸式手部是在手腕部裝上電磁鐵或電磁鐵，利用其通電后產(chǎn)生的電磁力來吸取磁鐵性材料工件，適用于要求不高或有剩磁也無妨的場合。</p><p>　

40、　傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。</p><p>　?。?） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部

41、，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。</p><p>　?。?）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。</p><p>　　臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動。&

42、lt;/p><p>　　手臂的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　（4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。</p><p><b>　　2．4.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　驅(qū)動機(jī)構(gòu)：驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同，

43、工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動、機(jī)械等幾種。</p><p><b>　　2.4.3控制機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　控制機(jī)構(gòu)：在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。在此我們使用的是PLC控制，應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的工

44、序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。</p><p>　　2.5 機(jī)械手的分類</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。</p><p><b>　　一、按用途分</b></p><p>　　機(jī)械手可分為專用機(jī)

45、械手和通用機(jī)械手兩種：</p><p><b>　　1、專用機(jī)械手</b></p><p>　　它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和“加工中心”。</p><p><b&

46、gt;　　2、通用機(jī)械手</b></p><p>　　它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以

47、是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。</p><p><b>　　(二)按驅(qū)動方式分</b></p><p><b>　　1、液壓傳動機(jī)械手</b></p><p>　　是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、

48、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。</p><p><b>　　2、氣壓傳動機(jī)械手</b></p><p>　　是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特

49、點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。</p><p><b>　　3、機(jī)械傳動機(jī)械手</b></p><p>　　即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿

50、、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。</p><p><b>　　4、電力傳動機(jī)械手</b></p><p>　　即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)

51、構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。</p><p><b>　　(三)按控制方式分</b></p><p><b>　　1、點(diǎn)位控制</b></p><p>　　它的運(yùn)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動，只能控制運(yùn)動過程中幾個點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。

52、若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。</p><p><b>　　2、連續(xù)軌跡控制</b></p><p>　　它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。</p&

53、gt;<p>　　2.6 機(jī)械手的發(fā)展趨勢</p><p>　　(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。</p><p>　　(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)

54、;國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。</p><p>　　(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采

55、用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。</p><p>　　(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。</p><p>　　(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加

56、局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。</p><p>　　(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握

57、了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差

58、距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對</p><p><b>　　列之中。</b></p><p&

59、gt;　　2.6.1氣動機(jī)械手的研究與發(fā)展</p><p>　　氣動機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式。90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y.Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)開發(fā)部開發(fā)研制的電子氣動機(jī)器人—“阿基里斯”六腳勘探員，是氣動技術(shù)﹑PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動物”。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計的氣動爬墻機(jī)器人，集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體，成功的解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題等等氣動技術(shù)和編程

60、結(jié)合的其它研究成果。</p><p>　　現(xiàn)在，氣動機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工、食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。</p><p>　　氣動機(jī)械手向著重復(fù)高精度、模塊化、無給油化、機(jī)電氣一體化的方向發(fā)展。目前在世界上形成了以日本、美國和歐洲盟氣動技術(shù)、氣動機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術(shù)和氣動機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入的力度和研發(fā)力度的加大

61、，我國自主研制的許多氣動機(jī)械手已經(jīng)在汽車頂行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。由于氣動機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見，在不久的將來，氣動機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。</p><p>　　第三章 可編程控制器</p><p>　　PLC即可編程控制器（Programmable logic Cont

62、roller，是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義： </p><p>　　“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的

63、輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計?！?</p><p>　　PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一

64、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。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。</p><p>　　3.1 PLC的特點(diǎn) </p><p>　　1可靠性高，抗干擾能

65、力強(qiáng) </p><p>　　高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故

66、障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 </p><p>　　2配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) </p><p>　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模

67、的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 </p><p>　　3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 </p><p>　　PLC作為通用工業(yè)控制計算機(jī)，是面

68、向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 </p><p>　　4系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 </p><p>　　PLC用存儲邏輯代替接線邏

69、輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 </p><p>　　5體積小，重量輕，能耗低 </p><p>　　以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理

70、想控制設(shè)備。 </p><p>　　3.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 </p><p>　　目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 </p><p>　　1開關(guān)量的邏輯控制 </p><p>　　這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳

71、統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 </p><p><b>　　2模擬量控制 </b></p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量

72、（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 </p><p><b>　　3運(yùn)動控制 </b></p><p>　　PLC可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如

73、可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 </p><p><b>　　4過程控制 </b></p><p>　　過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用

74、得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 </p><p><b>　　5數(shù)據(jù)處理 </b></p><p>　　現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成

75、數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 </p><p><b>　　6通信及聯(lián)網(wǎng) </b></p><p>　　PLC通信含PLC間的通信及P

76、LC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。</p><p>　　3.3 PLC的國內(nèi)外狀況 世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單

77、的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器

78、進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上</p><p>　　3.4 PLC的發(fā)展</p>

79、<p>　　一、PLC發(fā)展的潮流目前，國外PLC制造商不斷推出新產(chǎn)品。西門子最初推出S5系列，然后推</p><p>　　出S7系列；三菱開始是F系列，F(xiàn)X系列，現(xiàn)在是Q系列（A1、A2、A2X）。大</p><p>　　趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來越強(qiáng)。特別是網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)?lt;/p><p>　　聯(lián)網(wǎng)是一個大潮流?，F(xiàn)在各種PLC都在發(fā)

80、展自己的網(wǎng)絡(luò)，一般從結(jié)構(gòu)上有兩種，一種在PLC模塊</p><p>　　上做了一個通信輸出口，可以直接與計算機(jī)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信（RS232聯(lián)接）；</p><p>　　另一種是通過多點(diǎn)聯(lián)接（RS485聯(lián)接），這適用于多層PLC。這方面，西門子的</p><p>　　產(chǎn)品具有代表性，它具有自己的PROFIBUS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)被世界上</p>

81、<p>　　絕大多數(shù)國家接受，幾乎已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，獲得廣泛的應(yīng)用。目前網(wǎng)絡(luò)是一個</p><p>　　發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡(luò)的控制中心一般有兩臺計算機(jī)，通過電纜與現(xiàn)場的PLC站相連，</p><p>　　每個站就放在被控設(shè)備的附近，從設(shè)備到PLC站之間的電纜很短，從PLC站到控</p><p>　　制中心只需一根電纜線，這樣成本就大大降低了。</p>

82、<p>　　二、PLC的最新發(fā)展動態(tài)一是PLC網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，其中有兩個趨勢，一方面，PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)</p><p>　　不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形</p><p>　　成自己各具特色的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成設(shè)備控制任務(wù)之外，還可以與上位計算機(jī)</p><p>　　管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流，成為整

83、個信息管理系統(tǒng)的一部分。另一方面，現(xiàn)</p><p>　　場總線技術(shù)得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，比如智能化</p><p>　　儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)（比</p><p>　　如雙絞線，同軸電纜，光纜）連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由</p><p>　　此構(gòu)成一

84、個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)與單純的PLC遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相比，配置更靈</p><p>　　活，擴(kuò)容更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放意義。二是PLC向高性能小型化發(fā)展。PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越</p><p>　　小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的機(jī)種，體積僅為60×90× 75mm，相當(dāng)于</p><p>　　一

85、個繼電器，但卻具有高速計數(shù)、斜坡、交替輸出及16位四則運(yùn)算等能力，還</p><p>　　具有可調(diào)電位器時間設(shè)定功能。PLC已不再是早期那種只能進(jìn)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算</p><p>　　的產(chǎn)品了，而是具有越來越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機(jī)上才能具有的高級處理能力，如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PID調(diào)節(jié)，溫度控制，精確定位，</p><p>　　步進(jìn)驅(qū)動，報表統(tǒng)計等。

86、從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS（集散控制系統(tǒng)）的</p><p>　　差別已經(jīng)越來越小了。用PLC同樣可以構(gòu)成一個過程控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.5可編程控制器的組成</p><p>　　可編程控制器（PLC）是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一</p><p>　　種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計算機(jī)。其硬件

87、配置和一般微機(jī)裝置</p><p>　　類似，主要由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入∕輸出接口電路、編程單元、</p><p>　　電源以及其他電路組成。其基本構(gòu)成如圖1所示</p><p>　　圖1 PLC硬件基本配置示意圖</p><p>　　由圖知，輸入端子連接外部的輸入元件，如按鈕、控制開關(guān)、接近開關(guān)、行程開關(guān)、控制開關(guān)、熱繼電

88、器接點(diǎn)、壓力繼電器接點(diǎn)、數(shù)字開關(guān)等。輸出端子連接外部的輸出元件，如接觸器、繼電器線圈、信號燈、報警器、電磁鐵、電磁閥、電動機(jī)等。</p><p>　　在常規(guī)電氣控制電路中，輸入元件和輸出元件是通過導(dǎo)線連接的，這樣不僅麻煩，而且容易出現(xiàn)接觸不良、斷線等故障，當(dāng)控制電路復(fù)雜時，控制裝置會很龐大，出現(xiàn)故障也難以處理。如果控制功能發(fā)生變化，將不得不重新改裝接線。而PLC得輸入元件和輸出元件的連接不是通過導(dǎo)線連接的，而是通

89、過程序來連接的，所有不會發(fā)生上述常規(guī)電氣控制電路所出現(xiàn)的問題。</p><p>　　PLC的控制原理和常規(guī)的控制電路基本上市一樣的，PLC的控制是通過梯形圖實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3.6 PLC工作原理</p><p>　　當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分成三個階段，即輸入采樣、用戶程序</p><p>　　執(zhí)行和輸出刷新三個階段。

90、完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期</p><p>　　間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，如圖2所示。</p><p>　　圖2 PLC的掃描周期</p><p><b>　　1）輸入采樣階段</b></p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并

91、將它們存入I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映像區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。</p><p>　　2）用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順

92、序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按照先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。</p><p><b>　　3）輸出刷新階段</b>&l

93、t;/p><p>　　當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)過輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC的真正輸出。</p><p>　　為了提高工作的可靠性，及時接受外來的控制命令，PLC在每次掃描期間，除完成上述三步操作外，通常還要進(jìn)行故障自診斷，完成通訊處理要求。每次掃描開始，先執(zhí)行依次自診斷程序，對各輸

94、入輸出點(diǎn)，存儲器和CPU等進(jìn)行診斷，診斷的方法通常是測試出各部分是否工作正常，若不一致則認(rèn)為有故障。此時，PLC立即啟動關(guān)機(jī)程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)并關(guān)斷所有輸出點(diǎn)，然后停機(jī)。</p><p>　　診斷結(jié)束后，如沒發(fā)現(xiàn)故障，PLC將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請求。如果沒有則進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如，接受編程器發(fā)來的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)，出錯信息送給編程器顯示等。</p><p>

95、　　處理完通信后，PLC繼續(xù)掃描，輸入現(xiàn)場信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號，完成一個掃描周期。然后又從自診斷開始，進(jìn)行第二輪掃描。</p><p>　　PLC就是這樣不停反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的連續(xù)控制，直到接收到用戶停機(jī)命令，</p><p>　　或因停電、出現(xiàn)故障等原因才停止工作</p><p>　　PLC完成上述三個階段稱為一個掃描周期。PLC反復(fù)不斷地執(zhí)行

96、上述過程。掃</p><p>　　描周期的長短和PLC的運(yùn)算速度和工作方式有關(guān)，但主要和梯形圖的長度及指令</p><p>　　的種類有關(guān)，一個掃描周期的時間大約在幾毫秒到幾百毫秒之間。</p><p>　　PLC執(zhí)行梯形圖是一步一步的，所以它的邏輯結(jié)果也是由前到后逐步產(chǎn)生的，是一種串行輸出方式。</p><p>　　第四章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的

97、確定</p><p>　　4.1機(jī)械手性能參數(shù)列表</p><p>　　一、用途：搬運(yùn)：用于車間搬運(yùn)</p><p><b>　　二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：</b></p><p>　　1、抓取工件最大質(zhì)量 30N</p><p><b>　　2、自由度數(shù) 4</b></p&

98、gt;<p>　　3、工件最大直徑（mm）Φ80</p><p>　　4、上料高度（mm） 900</p><p>　　5、取料高度（mm） 500</p><p>　　6、手臂伸出長度（mm） 300</p><p>　　7、直線運(yùn)動速度（mm） 0.1</p><p>　　8、立柱回轉(zhuǎn)范圍 0～18

99、0°</p><p>　　9、定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等</p><p>　　10、控制方式 點(diǎn)位程序控制（采用PLC）</p><p>　　4.2 機(jī)械手驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇</p><p>　　驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。在工業(yè)機(jī)械手的四種驅(qū)動方式中（分別

100、為液壓、電動、氣動和機(jī)械驅(qū)動四類），我選擇氣動驅(qū)動方式。氣動機(jī)械手是指一壓縮空氣為動力源驅(qū)動的機(jī)械手。氣動機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單﹑重量輕﹑工作迅速﹑平穩(wěn)﹑可靠﹑節(jié)能和部污染環(huán)境而被廣泛采用。采用氣動系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是其成本低、模塊化和集成化。</p><p>　　為什么選著設(shè)計機(jī)械手用氣動來提供動力：氣動機(jī)械手是指以壓縮空氣為動力源驅(qū)動的機(jī)械手。用氣壓驅(qū)動與用其他能源驅(qū)動比較有以下優(yōu)點(diǎn)：　　 1、空

101、氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需回收和處理，不污染環(huán)境。偶然的或少量的泄漏不致對生產(chǎn)發(fā)生嚴(yán)重的影響。</p><p>　　2、空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很小，便于遠(yuǎn)距離輸送?！　?、壓縮空氣的工作壓力較低，因此對氣動元件的材質(zhì)和制造精度要求可以降低。一般說來，往復(fù)運(yùn)動推力在1~2噸以下采用氣動經(jīng)濟(jì)性較好?！　?、與液壓傳動相比，它的動作和反應(yīng)都快，這是氣動的突出優(yōu)點(diǎn)之一?！　?、空氣介質(zhì)清潔，亦不

102、會變質(zhì)，管路不易堵塞?！　?、它可安全地應(yīng)用在易燃、易爆和粉塵大的場合。又便于實(shí)現(xiàn)過載自動保護(hù)</p><p>　　但是也有它美中不足的地方：1.由于空氣的可壓縮性，致使氣動工作的穩(wěn)定性差，因而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度和定為精度不易控制。2.由于使用氣壓較低，輸出力不可能太大，為了增加輸出力，必然使整個氣動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸加大。</p><p>　　4.3 機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)的選擇</p&g

103、t;<p>　　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，對這種混合驅(qū)動機(jī)械手采用PLC作為核心控制器，上述各控制對象都必須在PLC的統(tǒng)一控制下協(xié)同工作(如圖2所示)，PLC采用日本三菱公司的FX2N-48MR型PLC(24點(diǎn)輸入、24點(diǎn)輸出)。</p><p>　　4.4 機(jī)械手的運(yùn)動自由度</p><p>　　物體上任何一點(diǎn)都與坐標(biāo)軸的正交集

104、合有關(guān)。物體能夠能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運(yùn)動所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，為了抓取空間中任意位置和方位的物體，三維空間需要6個自由度 。物體所能進(jìn)行的運(yùn)動有沿著坐標(biāo)軸的三個平移自由度和繞坐標(biāo)軸的三個旋轉(zhuǎn)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。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。 </p><p>　　一般固定程序的機(jī)

105、械手，動作比較簡單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機(jī)器人自由度數(shù)較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機(jī)器人靠近機(jī)座的3個自由度是用來實(shí)現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位；7個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。</p><p>　　自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運(yùn)行速度快，周圍設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜，工件質(zhì)量輕時，機(jī)械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性

106、，則機(jī)械手的自由度要多一些。</p><p>　　計算機(jī)械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因?yàn)檫@個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機(jī)械手工作要求前提下，為簡化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。</p><p>　　本設(shè)計的通用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，在本設(shè)計中關(guān)于機(jī)械手的自由度的選擇為4個。

107、分別為立柱回轉(zhuǎn)、立柱升降、手臂伸縮、手爪夾緊放松。分別由立柱回轉(zhuǎn)氣缸、立柱升降氣缸、手臂伸縮氣缸和手爪加緊放松氣缸控制。</p><p>　　4.5機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇及手部形式的選擇</p><p>　　4.5.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計是通用機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種：</p><p><b&g

108、t;　　機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表</b></p><p>　　本設(shè)計中機(jī)械手的運(yùn)動是由兩個直線運(yùn)動和一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動組成。故我們選用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，它結(jié)構(gòu)簡單緊湊、占地面積小、活動范圍大、定位精度高。故我們可設(shè)計的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示</p><p>　　其中，A為手臂伸縮氣缸，活塞桿位方形，以防止手臂隨意轉(zhuǎn)動，活塞為帶磁環(huán)，缸體外裝感應(yīng)開關(guān)（行程開關(guān)），以作位置檢測。B為升降氣

109、缸，同A缸相似，為方形活塞桿，活塞上安裝磁環(huán)，以作位置檢測之用。C為手爪抓取時夾緊或松開氣缸，為雙作用式氣缸，帶位置檢測裝置。D為機(jī)械手回轉(zhuǎn)氣缸，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為葉片式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。四只氣缸除活塞桿等零件外，其它大部分為鋁合金結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、重量輕。</p><p>　　4.5.2機(jī)械手手部形式的選擇及其計算</p><p>　　機(jī)器人的手部是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在前述的機(jī)械手手部的分類中