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大專生機電一體化畢業(yè)論文
機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要組成部分。
汽車業(yè)的快速發(fā)展，車外型愈求美觀流線，并由于汽車外板件要求完美無塵的沖壓生產(chǎn)線也向高速化、高品質(zhì)、自動化、柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)過程中的手工操作、人工送料的生產(chǎn)方式已無法滿足該行業(yè)的需要。機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達到生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應用得更為廣泛。
在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。
1.2 本文主要做的工作1、問題提出 ： PLC 控制的機械手最主要是應用于自動化生產(chǎn)中，如何綜合地運用前面學過知識點，根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)， 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法。
2、系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容（1）擬定控制系統(tǒng)設計的技術條件。
技術條件一般以設計任務書的形式來確定，它是整個設計的依據(jù)；（2）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構；（3）選定 PLC 的型號；（4）編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線圖； 1（5）根據(jù)系統(tǒng)設計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應的編程語言（常用梯形圖）進行程序設計；（6）了解并遵循用戶認知心理學，重視人機界面的設計，增強人與機器之間的友善關系； 2 第二章 可編程控制器的概述2.1 可編程控制器的基本知識 PLC 的種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同，對 PLC 的分類，通常根據(jù)其形式的不 同、功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致分類.根據(jù)1、 PLC 的結構形式可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類（1）整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、CPU、I/O 接口等各件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。
小型 PLC 一般采用這種整體式機構。
整體 PLC 由不同 PLC 點數(shù)的基本單元和擴展單元組成，基本單元內(nèi)有 CPU、I/O 接口，與 I/O 擴展單元相連的擴展口、以及編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。
擴展單元內(nèi)只有 I/O 和電等，沒有 CPU，基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。
整體式PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展2 模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如 CPU 模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）以及其他模塊。
模塊式 PLC 由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上。
這種模塊式 PLC 的特點是配置靈活、可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。
大、中型 PLC 一般采用這種模塊式結構。
還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。
疊裝式PLC 其 CPU，電源，I/O 接口等也是各自獨立的模塊。
但它們之間是非電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以應地疊裝，這樣不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以做的體積小巧。
2、按功能分 根據(jù) PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低，中，高檔次（1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷監(jiān)控等基本功能還可以少量模擬量輸入/輸出，算術運算，數(shù)據(jù)傳送和比較等功能，主要用于邏輯控制，順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。
�。�2）中檔 PLC 出具有低檔 PLC 的功能外，還具有模擬量輸入/輸出，算術運算，數(shù)據(jù)傳送和比較；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，遠程 I/O，子程序，通信聯(lián)網(wǎng)等功能，有些還可增設中斷控制， 3PID 控制等功能，適應于復雜控制系統(tǒng)。
（3）高檔 PLC 除具有中檔 PLC 的功能外，還增加了符號算術運算，矩陣運算，位邏輯運算，平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算，制表及表格傳遞功能等。
高檔 PLC 具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。
3、按 I/O 點數(shù)分類 根據(jù) PLC 的 I/O 點數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型，中型和大型三類（1）.型 PLC――I/O 點數(shù)lt256 點，單 CPU，8 位或 16 微處理器，用戶存儲器容量 4K字以下 CE-I 型 美國通用電氣（GE）公司 TI100 美國德洲儀器公司 F、F1、F2 日本三菱電氣公司 C20 C40 日本歐姆龍公司 SF200 德國西門子公司 EX20 EX40 日本東芝公司 SR-20/21 中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司 （2）．中型――點數(shù) 256-2048 點，雙 CPU，用戶存儲器容量 2-8K S7-300 德國西門子 SR-400 中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司 SU-5 SU-6 德國西門子公司 C-500 日本立石公司 CE-Ш GE 公司 （3）. 大型 PLC――I/O 點數(shù)gt2048 點，多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲 器容量 8-16K S7-400 德國西門子公司 GE-IV GE 公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司 42.2 可編程控制器 PLC 的應用與前景 目前，在國內(nèi)外 PLC 已廣泛應用冶金，石油，化工，剪彩，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著 PLC 性能價格 的不斷提高，器應用領域不斷擴大，從應用類型看大致可歸納為以下幾個方面：2.2.1 強量邏輯運算 利用 PLC 最基本的邏輯運算，定時，計收等功能實現(xiàn)邏輯運算，科取代傳統(tǒng)的繼電器控制用于單片機控制，多機群控制，生產(chǎn)自動線控制等。
例：機床，注塑機印刷機械，裝配生產(chǎn)線，電鍍流水線及電梯的控制等。
這是 PLC 最基本的應用，也是 PLC 最廣泛的應用領域。
2.運動控制 大多數(shù) PLC 都有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能廣泛用于各種機械設備。
例如：各種機床，裝配機械。
機器人等進行運動控制。
3.過程控制 大，中型 PLC 都具有多路模擬量 I/O 模塊和 PID 控制功能。
有的小型 PLC 也具有模擬量輸入輸出，所以 PLC 可實現(xiàn)模擬量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可構成閉環(huán)控制，用于過程控制。
這一功能已廣泛用于鋁爐，反應堆，水處理，釀酒及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。
4.數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的 PLC 都具有數(shù)學運算數(shù)據(jù)傳遞，轉(zhuǎn)換，排序和查表等功能，可進行數(shù)據(jù)的采集，分析和處理，同時的通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其電智能裝置。
例如：CNC設備進行處理。
5.通信聯(lián)網(wǎng) PLC 的通信包括 PLC 與 PLC，PLC 與計算機，PLC 與其它智能設備之間的通信，PLC 系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元，通信轉(zhuǎn)換單元相連構成網(wǎng)絡，已實現(xiàn)信息的交換和構成。
集中管理分散控制的多級分布式控制系統(tǒng)。
滿足工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。
2.2.2 國外 PLC 發(fā)展概況 PLC 在問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展。
在美、德國等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)量產(chǎn)值大幅 5度上升而價格則不斷下降。
目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC。
較多的有美國：AB 通用電氣、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門子公司；法國：TE 施耐德公司。
韓國：三星、LG 公司等 PLC 的發(fā)展前景（1）產(chǎn)品規(guī)模向大小兩個方向發(fā)展 大：I/O 點數(shù)達 14336 點，32 位微處理器，多 CPU 并行工作 ，大容量存儲器，掃描速度快高速； �。赫w結構向小型模塊化結構發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本；（2）PLC 在閉環(huán)過程中應用日益廣泛；（3）不斷加強通訊功能；（4）新器件和模塊不斷推出 6 第三章 可編程控制器的編程語言3.1 可編程控制器的幾種編程語言 可編程控制器的編程語言按 IEC61131-3 國際標準來分主要包括圖形化編程語言和文 本 化 編 程 語 言 。
圖 形 化 編 程 語 言 包 括 : 梯 形 圖 LD-Ladder Diagram 、 功 能 塊 圖FBD-Function Block Diagram、順序功能圖SFC-Sequential Function Chart。
文本化編程語 言包括:指令表IL-Instruction List和結構化文本ST-StructuredText。
這些語言是基于 WINDOWS 操作系統(tǒng)的編程語言.而 SFC 編程語言則在兩類編程語言中均可使用。
下面分別來介紹這幾種編程度語言。
3.1.1 梯形圖編程語言LD-Ladder Diagram 是 梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述， PLC 編程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。
而且其圖形結構類似于登高用的梯子，故名梯形圖。
梯形圖程序的左右兩側有兩垂直的電力軌線，左側的電力軌線名義上為功率流從左向右沿著水平梯級通過各個觸點、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點是右側的電力軌線。
每一個觸點代表了一個布爾變量的狀態(tài)，每一個線圈代表了一個實際設備的狀態(tài)，一個簡單的梯形圖程序如圖 1 所示: 圖 3.1 梯形圖程序示例 梯形圖的每個梯級表示一個因果關系事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面事件發(fā)生的結果表示在梯級的右面。
梯形圖編程語言具有如下特點: 71 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性2 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易于掌握和學習3 對于復雜控制系統(tǒng)描述仍不夠清晰4 可讀性仍不夠好。
幾乎所有 PLC 廠商提供的 PLC 都支持梯形圖編程語言而且都比較容易理解，只是在梯形圖結構上可能稍有變化。
比如西門子的 S7 系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。
有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。
3.1.2 功能塊圖編程語言FBD-Function Block Diagram 功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的功能。
功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側有不少于一個的輸入端，右側有不少于一個的輸出端。
功能模塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，其輸入輸出名稱寫在塊內(nèi)的輸入輸出點對應的地方。
功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊。
基本功能模塊如 AND，ORXOR 等等.特殊功能模塊如 ON 延時，脈沖輸出，計數(shù)器等等。
功能塊編程語言具有以下特點:1 以功能模塊為單位從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易2 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。
是有發(fā)展前途的一種編程語言3 對較復雜系統(tǒng)，由于控制功能關系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調(diào)試時間4 因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應用較廣泛。
8 第四章 PLC 控制機械手的系統(tǒng)設計4.1 各電器設備的控制方式及控制要求1、機械手的技能和特性 根據(jù)古典力學觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。
因此，抓握物體的位置和方向（即關節(jié)間的角度）能從理論上求得。
據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一 。
這樣就需要安裝 27 根重量輕、小型和高輸出力的個自由度至少要有一根“人造肌肉”“人造肌肉”。
就目前的技術狀況而言，上述功能還很難辦到。
而且把機械手的功能搞得那么復雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。
退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉(zhuǎn)運動，總共就要有 24 個自由度。
這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結構復雜，費用增多。
因此，不應盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應根據(jù)實際需要的動作，設計出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。
所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。
而通用機械手一般取四到五個自由度。
本設計中設計的機械手，它共有五個自由度。
即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。
2.軀干和傳動系統(tǒng) 機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。
1、夾緊機構 機械手手爪使用來抓取工件的部件。
手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。
設計制造夾緊機構――手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。
其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。
同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手的應用范圍，還需備有多種抓取機構，以根據(jù)需要來更換手爪。
為防止損壞被夾的物體，夾緊力應限制一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結構。
為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結構。
夾緊機構本身則應結構簡單、體積小、重量輕、動作 9靈活和動作可靠。
夾緊機構形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。
有的夾緊機構還帶有傳感裝置和攜帶工具進行操作的裝置。
本設計采用機械式的夾緊機構。
機械式夾緊機構是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。
如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、直進型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。
本設計采用二指式氣動手爪。
由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。
手爪的回轉(zhuǎn)則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位磁頭完成回轉(zhuǎn)角度的限位，一般可設置在 180 度。
2 軀干 軀干由底盤和手臂兩大部分組成。
底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn)的機構。
底盤采用一個直流電動機驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機械手每旋轉(zhuǎn) 3 度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉(zhuǎn)的角度。
同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達 270 度。
手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件并使它們運動的機構。
本設計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。
手臂采用步進電動機帶動絲杠、螺母來實現(xiàn)伸縮和升降運動。
由可編程控制器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)步進電動機驅(qū)動器驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運動。
改變發(fā)出脈沖的個數(shù)，可控制手臂的兩個軸運動的距離。
同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。
采用絲杠、螺母結構傳動的特點是易于自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。
4.2 電器元件、設備的選擇1、PLC 機型的選擇 根據(jù)被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的功能要求，可進行 PLC 型號的選定。
進行 PLC 選型時，基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。
對開關量控制的系統(tǒng)，當控制速度要求不高時，一般的 PLC 都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。
當控制速度要求較高、輸出有高速脈沖信號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好采用晶體管形式輸出。
對帶有部分模擬量控制的ｗ裝置等。
102、輸入/輸出的點數(shù)： I/O 點數(shù)可以衡量 PLC 規(guī)模的大小。
準確統(tǒng)計被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)并考慮今后系統(tǒng)的調(diào)整和擴充，在實際統(tǒng)計 I/O 點數(shù)基礎上，一般應加上 10-20的備用點數(shù)。
多數(shù)小型 PLC 為整體式，具有體積小、價格便宜等優(yōu)點，適于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡單的系統(tǒng)。
模塊式結構的 PLC 采用主機模塊與輸入模塊、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模塊、判斷與處理故障快速方便，適用于工藝變化較多、控制要求復雜的系統(tǒng)。
此外，還應考慮用戶儲存器的容量、PLC 的處理速度是否能滿足實時控制的要求、編程器與外圍設備的選擇等。
本設備控制的對象是一個開關量控制的系統(tǒng)，同時利用脈沖控制步進店動機的運轉(zhuǎn)，故應采用晶體管形式的輸出。
松下 FPO 系列小型 PLC 具有性價比高、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足本對象各項控制性能要求，因此，本系統(tǒng)采用松下 FPO 系列的 FPO――C16T 作為基本模塊，能輸出兩路脈沖信號進行步進電動機的控制。
由于輸入輸出點不夠，擴展一個 FPO――E16RS 模塊。
3、電源模塊的選擇： 采用 Dm150 系列開關電源。
其特點是輸出功率大，體積小，重量輕，可靠性高，適應寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護功能。
主要參數(shù)： 輸入交流電壓：110220V/50Hz、60Hz 輸出直流電壓：24V/6.5A 最大功率：156W 工作環(huán)境：-1040 度 114、步進電動機的選擇： 采用二相八拍混合式步進電動機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等特點。
型號：42BYGH101。
快接線插頭中的紅色表示 A 相，藍色表示 B 相。
使用時如果發(fā)現(xiàn)步進電動機轉(zhuǎn)向不對時可以將 A 相或 B 相兩根線對調(diào)。
�。�1）.步進電動機驅(qū)動模塊 采用中美合資 SH 系列步進電動機驅(qū)動器，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、 輸出部分等。
如下圖所示。
驅(qū)動模塊 電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導線連接，注意極性。
信號輸入部分：信號源由 FPO 主機提供。
由于 FPO 提供的電平為 24V，而輸入部分的電平為 5V，中間加了保護電路。
輸出部分：與步進電動機連接，注意相序。
�。�2）.傳感器 12 采用接近開關作為手爪旋轉(zhuǎn).
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