數(shù)控機(jī)床自動裝卸工件機(jī)械手設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)

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河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 ************系 別 機(jī)電工程系專 業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù)班 級 09 機(jī)電*班學(xué)生姓名 ***學(xué) 號 02043090152指導(dǎo)教師 ***定稿日期 年 月 日1河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)（論文）題目 數(shù)控機(jī)床自動裝卸工件機(jī)械手設(shè)計(jì)――PLC 控制系統(tǒng) 主要研究內(nèi)容1、通過 PLC 編程控制使機(jī)械手能夠模仿人手臂的某些動作和功能，用于抓取，搬運(yùn)或操作工具等2、按照指定命令系統(tǒng)自動完成各步驟工作，并能循環(huán)指令動作主要技術(shù)指標(biāo)或研究目標(biāo)撥叉的主要工作表面為操縱花槽鍵及撥叉腳兩內(nèi)側(cè)端面。主要配合的面為 ?25H7 的孔和 ?22H12 的孔內(nèi)操縱花鍵槽和撥叉腳兩內(nèi)側(cè)面18H11.該零件為異型件，但復(fù)雜程度一般。由于撥叉在工作時承受一定的力。基本要求求有一定的強(qiáng)度,剛度,韌性和耐磨性。主要參考資料及文獻(xiàn)[1] 劉長青.機(jī)械制造課程設(shè)計(jì)指導(dǎo),武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007[2] 劉長青.機(jī)械制造技術(shù),武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005[3] 趙瑾.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ),武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006[4] 姜全新.機(jī)械制圖,武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005[5] 蔡南武.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),武漢：華中科技大學(xué)出版社，20052[6] 李益民.機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[7] 薛源順.機(jī)床夾具設(shè)計(jì),北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[8] 吳宗澤、羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,北京：高等教育出版社，1999摘 要：機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。通過編程來完成各種動作，它的準(zhǔn)確性和多自由度，保證了機(jī)械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，機(jī)械手的使用能夠顯著的提高生產(chǎn)效率，減少人為因素造成的廢次品率。機(jī)械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運(yùn)送物料，從事多種工藝操作。它的特點(diǎn)是通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人的部分優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機(jī)器人的精確到位。機(jī)械手是在機(jī)械自動化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置?，F(xiàn)代生產(chǎn)過程中機(jī)械手被廣泛的應(yīng)用到自動生產(chǎn)線中。機(jī)械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復(fù)性，無疲勞，不懼危險，有大的抓舉力量，因此越來越多的被廣泛運(yùn)用。機(jī)械手技術(shù)涉及機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)、電氣液壓技術(shù)，計(jì)算機(jī)可編程技術(shù)等，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。本課題在執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動和液壓組成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將 PLC 應(yīng)用于其自動控制系統(tǒng)，完成機(jī)械手系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。關(guān) 鍵 詞 ： 數(shù)控；自動裝卸；機(jī)械手；PLCAbstract：Manipulator is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Programmed to complete a variety of actions, its accuracy and multiple degrees of freedom to ensure the robot can work in different environments. Robots are used mostly in industrial production, the use of mechanical hand can significantly improve production efficiency and reduce waste caused by human factors defective rate. Robots can do a lot of work, it is used in the automated plant in the transportation of materials in a variety of process operation. It is characterized by a variety of programming to complete the desired programming operation, the structure and performance advantages of both human and part robot, in particular, reflect the flexible coordination of human and robot's precise place. 3Robot automation in the mechanical gradually developed a new type of device. Manipulator modern production process has been widely applied to automatic production line. Although the robot as flexible staffing, but it has a repetitive, no fatigue, fear danger, there is great power snatch, so more and more widely used. Robot technology involves mechanics, mechanics, automatic control technology, sensor technology, electrical hydraulic technology, computer programmable technology, is a cross-disciplinary technology. The subject of the executive body composed by the electrical and hydraulic structure will be PLC based control system used in its complete manipulator system hardware and software design. Key Words： NC; automatic loading and unloading; mechanical hand; PLC4目 錄第 1 章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????71.1 課題背景 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????71.2 機(jī)械手的發(fā)展 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81.3 PLC 的發(fā)展概況 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81.4 可編程控制器的產(chǎn)生 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91.5 PLC 的定義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????91.6 PLC 的特點(diǎn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????101.7 課題設(shè)計(jì)的目的和意義 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11第 2 章 機(jī)械手的概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????122.1.1 機(jī)械手的組成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????122.1.2 機(jī)械手的主要參數(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132.1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????132.2 機(jī)械手采用 PLC 控制的優(yōu)點(diǎn) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14第 3 章 機(jī)械手的控制系統(tǒng) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????153.2 控制系統(tǒng)的要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????163.3 系統(tǒng)及原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????203.3.1 系統(tǒng)原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????203.3.2 操作系統(tǒng) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????203.3.4 手動操作程序 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????213.3.5 自動操作程序 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????223.3.6 傳送梯形圖 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23結(jié) 論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25參考文獻(xiàn) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????265附錄 指令一覽表 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27致 謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2861 緒論1.1 課題背景隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自 動化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨緊 張的供求關(guān)系,我們就得研究開發(fā)機(jī)械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了舉世矚目的偉大成就。同時，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。全面建設(shè)小康社會，既面臨難得的歷史機(jī)遇，又面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益有待提高。在擴(kuò)大勞動就業(yè)、理順分配關(guān)系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達(dá)國家在經(jīng)濟(jì)、科技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進(jìn)行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強(qiáng)社會管理等。與此同時，我們比以往任何時候都更加需要緊緊依靠科技進(jìn)步和創(chuàng)新，帶動生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動經(jīng)濟(jì)社會的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國作為一個發(fā)展中大國，加快科學(xué)技術(shù)發(fā)展、縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，還需要較長時期的艱苦努力，同時也有著諸多有利條件。中華民族擁有 5000 年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨(dú)特的創(chuàng)新文化。只要我們增強(qiáng)民族自信心，貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過 15 年乃至更長時間的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無愧于時代的輝煌科技成就?？萍脊ぷ鞯闹笇?dǎo)方針是：自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢、關(guān)系國計(jì)民生和國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來，就是著眼長遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀(jì)科技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總結(jié)，是面向未來、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)和充分借鑒人類7一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進(jìn)了大量技術(shù)和裝備，對提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進(jìn)而不注重技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進(jìn)水平的差距?？傊?，必須把提高自主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設(shè)的各個方面，貫徹到各個產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會提供強(qiáng)有力的支撐；基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。1.2 機(jī)械手的發(fā)展機(jī)械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機(jī)械手。它是不屬于其他主機(jī)的獨(dú)立裝置?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需要編制獨(dú)立程序完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備不同裝置的性能之外還具備通用機(jī)械及記憶功能的三元型機(jī)械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線遙控操作。第三類是專用機(jī)械手，通常依附于自動生產(chǎn)線上，用于機(jī)床的上下料和裝卸工件。這種機(jī)械手國外叫做“Mechanical Hand”。它由主機(jī)驅(qū)動來服務(wù)，工作程序固定，一半是專用的。機(jī)械手首先是在美國開始研制。第一臺機(jī)械手是在 1958 年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結(jié)構(gòu)是：主機(jī)安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，長臂頂端有電磁 抓放機(jī)構(gòu)。日本在工業(yè)上應(yīng)用機(jī)械手最多，發(fā)展最快的國家，自 1969 年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后開始大力研發(fā)機(jī)械手。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用，自 1977 年，前蘇聯(lián)使用的機(jī)械手一半來自國產(chǎn)一半來自進(jìn)口?，F(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產(chǎn)過程中已日趨突出，機(jī)械手就是在機(jī)械工業(yè)中為實(shí)現(xiàn)加工、裝配、搬運(yùn)等工序的自動化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產(chǎn)效率。采用機(jī)械手已為目前研究的熱重點(diǎn)。目前機(jī)械手在工業(yè)上主要用于機(jī)床加工、鑄造，熱處理等方面，但是還不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。81.3 PLC 的發(fā)展概況可編程控制器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā) 起來的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫的程 序進(jìn)行邏輯控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來 控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。1.4 可編程控制器的產(chǎn)生PLC 是在激烈的市場競爭中產(chǎn)生的，20 世紀(jì) 60 年代末，美國汽車制造業(yè)競爭激 烈。為適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，美國通用汽車公司（GM）對控制系統(tǒng)提出要 求為：（1）能替代各種繼電器、定時器、接觸器及其主令電器等按一定的邏輯關(guān)系 用導(dǎo)線連接起來的控制系統(tǒng)，既傳統(tǒng)的繼電－接觸器控制，它簡單易懂，價格低廉， 能夠滿足生產(chǎn)工藝改動頻繁的需要；（2）編程簡單；（3）模塊式結(jié)構(gòu)；輸入、輸出 電壓是交流 115V（美國標(biāo)準(zhǔn)） ，輸出能直接驅(qū)動繼電器和電磁閥；（4）抗電磁干擾強(qiáng)；（5）具有數(shù)據(jù)通信功能。就是把繼電器控制的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的功能齊全、靈 活性、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)結(jié)合起來，用計(jì)算機(jī)的編程軟件邏輯易于修改來代替繼電－ 接觸器控制的硬接線邏輯不易修改。美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）在 1969 年根據(jù)上述 要求，研制出世界上首臺可編程控制器，并在美國通用汽車公司的汽車裝配線上應(yīng) 用成功，實(shí)現(xiàn)裝配線的自動控制。1.5 PLC 的定義PLC 問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，美國 電氣制造商協(xié)會 NEMA（National Electrical Manufactory Association）經(jīng)過四年 的調(diào)查工作，于 1984 年首先將其正式命名為 PC（Programmable Controller） ，并給 PC 作了如下定義： “PC 是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí) 行諸如邏輯，順序，計(jì)時，計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機(jī)械或工作程序。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是從事執(zhí)行 PC 之功能被視為PC，但不包括鼓式或類似的機(jī)械式順序控制器。 ” 以后國際電工委員會(IEC)又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿，第二稿,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義：“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)境應(yīng)用而設(shè)計(jì) 的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制， 9定時，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種 類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系 5 統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 ” 總之，可編程控制器是一臺計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算 機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品 并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置， 其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。 1.6 PLC 的特點(diǎn)① 高可靠性1）所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路 之間電氣上隔離。 2）各輸入端均采用 R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為 10～20ms。 3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。5）對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。 6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障擴(kuò)大。7）大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可 靠性更進(jìn)一步提高。 ② 豐富的 I/O 接口模塊 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流； 脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按 鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。③ 采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采 用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī) 架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 ④ 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需 要具備計(jì)算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 10⑤ 安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時只需將現(xiàn)場的 各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障 指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。1.7 課題設(shè)計(jì)的目的和意義自改革開放，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，機(jī)械手早期應(yīng)用在汽車制造業(yè)。當(dāng)面臨人工無法實(shí)現(xiàn)的工作時，機(jī)械手成為了替代人工的替代品。機(jī)械手的使用能夠顯著的提高生產(chǎn)效率，減少人為因素造成的廢次品率。機(jī)械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運(yùn)送物料，從事多種工藝操作。它的特點(diǎn)是通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人的部分優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機(jī)器人的精確到位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對機(jī)械手的安全性，可靠性，準(zhǔn)確性有了充分的認(rèn)識，同時對其要求也越來越高。可編程控制器憑其穩(wěn)定性，簡單性，強(qiáng)大性成為了目前應(yīng)用最廣的工業(yè)自動化支柱之一。本課題在執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動和液壓組成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將 PLC 應(yīng)用于其自動控制系統(tǒng)，完成機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。112. 機(jī)械手的概述2.1 機(jī)械手的概述2.1.1 機(jī)械手的組成機(jī)械手的形式是多樣的，但是其基本的組成都是相似的。一般機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。（圖 2.1.1 機(jī)械手的組成及相互關(guān)系）·執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手、關(guān)節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機(jī)構(gòu)，用于抓取工件。關(guān)節(jié)是連接手與手臂的關(guān)鍵性原件，具有多方位旋轉(zhuǎn)特性。支柱用來支撐手臂，可做活動支柱方便機(jī)械手多方位移動?！鲃訖C(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。常用的有機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動，12電力傳動等形式?！た刂葡到y(tǒng)機(jī)械手按照制定的程序，步驟，參數(shù)進(jìn)行動作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。簡易機(jī)械手通常情況下不使用專用的控制系統(tǒng)，只有動作復(fù)雜的機(jī)械手采用可編程控制器，微型計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行動作?！ぽo助裝置輔助裝置主要是連接機(jī)械手各部分元件的裝置。機(jī)械手按用途分類為：專用機(jī)械手、通用機(jī)械手。按照傳動方式分類為：液壓式機(jī)械手、氣動式機(jī)械手、機(jī)械式機(jī)械手和電動機(jī)械手。2.1.2 機(jī)械手的主要參數(shù)·傳動方式·反應(yīng)速度·尺寸和重量·負(fù)荷能力·控制方式·操控范圍·反應(yīng)速度·定位·自由度·安全性·實(shí)用性2.1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科技的發(fā)展，機(jī)械手應(yīng)用的越來越多。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手應(yīng)用的意義概括如下：·提高生產(chǎn)過程自動化程度，增強(qiáng)生產(chǎn)效率。機(jī)械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動化過程，從而提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動投入，從而降低生產(chǎn)成本?！じ纳苿趧訔l件13在車間的勞動環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會嚴(yán)重影響人的身體健康，人在車間工作不可避免的會接觸到危險，而應(yīng)用機(jī)械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動條件。在一些簡單，重復(fù)的工作中以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作可以避免因疲勞和疏忽造成的事故?！p少人力資源，便于節(jié)奏生產(chǎn)。機(jī)械手的應(yīng)用增強(qiáng)了自動化生產(chǎn)，會減少人力的使用。機(jī)械手可以長時間重復(fù)性連續(xù)完成工作，這是人工無法實(shí)現(xiàn)并完成的。生產(chǎn)線增加使用機(jī)械手以減少人力和精準(zhǔn)的生產(chǎn)節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產(chǎn)。綜上所述，機(jī)械手的合理利用是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2.2 機(jī)械手采用 PLC 控制的優(yōu)點(diǎn)機(jī)械手不止有一種控制系統(tǒng)，一些控制系統(tǒng)或多或少會存在一些缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)在自動化生產(chǎn)中會造成不可避免的損失。而 PLC 控制的機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用上表現(xiàn)最為突出，我們從幾方面論述一下 PLC 控制機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)?！た刂品绞剑弘姎饪刂茖儆谟步泳€，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能非常困難；而 PLC 控制是軟接線，改變控制程序即可實(shí)現(xiàn)邏輯的改變或增加功能?！すぷ鞣绞剑弘姎饪刂剖遣⑿泄ぷ?，而 PLC 是串行工作，不受制約?！た刂扑俣龋弘姎饪刂扑俣嚷?，觸電易動；PLC 通過半導(dǎo)體控制，速度快，無觸點(diǎn)，無抖動。·可靠性能：電氣控制觸點(diǎn)多，會產(chǎn)生磨損和電弧燒傷，接線多，可靠性差；PLC 無觸點(diǎn)，壽命長，具有自診功能，執(zhí)行程序監(jiān)控，調(diào)試和維護(hù)方便。143 機(jī)械手的控制系統(tǒng)3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的主要步驟，如下圖 3.1 所示：（圖 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟圖）在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需考慮以下幾點(diǎn)：1、 了解分析機(jī)械手工藝設(shè)計(jì)和控制要求。2、 確定 I/O 設(shè)備。根據(jù)機(jī)械手控制系統(tǒng)的功能要求確定所需的用戶輸入輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有行程開關(guān)、按鈕、選擇開關(guān)、傳感器等，輸出設(shè)備有繼電器、指示燈、接觸器等。3、 選擇適合 I/O 點(diǎn)數(shù)的 PLC。4、 分配 PLC 的 I/O 點(diǎn)，編制輸入輸出分配表接線圖。155、 設(shè)計(jì)機(jī)械手控制系統(tǒng)梯形圖，根據(jù)需要設(shè)計(jì)完整的梯形圖程序。6、 測試 PLC 程序，查找錯誤。7、 調(diào)試機(jī)械手，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，查找問題。3.2 控制系統(tǒng)的要求機(jī)械手動作過程：自原點(diǎn)起，按下啟動按鈕，下降電磁閥通電，機(jī)械手開始下降。當(dāng)機(jī)械手下降碰到限位開關(guān)時，下降電磁閥斷電，機(jī)械手停止下降；同時接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊，上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，直至碰到上限開關(guān)，上升電磁閥斷電停止上升。使用伺服電機(jī)控制機(jī)械手開始旋轉(zhuǎn)，180°后機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)。接通右移電磁閥使機(jī)械手向右移動直至碰到右限位開關(guān)，右移電磁閥斷電，機(jī)械手停止右移。左工作臺無物料時光電開關(guān)接通，下降電磁閥通電，機(jī)械手下降。直至碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，機(jī)械手停止下降，同時夾緊電磁閥斷電機(jī)械手放松，完成物料搬送。機(jī)械手放松后上升電磁閥通電使機(jī)械手開始上升，碰到上限位開關(guān)上升電磁閥斷電，上升停止；接通左移電磁閥，機(jī)械手左移，碰到左限位開關(guān)，機(jī)械手停止左移，機(jī)械手底座旋轉(zhuǎn) 180°回到原點(diǎn)，完成一周期動作。(圖 3.2.1 機(jī)械手動作簡圖)16（圖 3.2.2 機(jī)械手功能圖示）17（圖 3.2.3 機(jī)械手傳動系統(tǒng)及控制面板示意圖）18（圖 3.2.4 機(jī)械手傳送系統(tǒng) I/O 點(diǎn) 分配表）（圖 3.3.3 控制系統(tǒng)原理接線圖）193.3 系統(tǒng)及原理3.3.1 系統(tǒng)原理（圖 3.3.1 系統(tǒng)原理圖）3.3.2 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)包括回復(fù)原點(diǎn)程序，手動單步操作程序及自動連續(xù)操作系統(tǒng)。如圖所示：（圖 3.3.2 機(jī)械手操作系統(tǒng)程序）原理：20把旋鈕重置于原點(diǎn)，X16 接通，系統(tǒng)自動返回原點(diǎn)，Y5 驅(qū)動指示燈顯示。把旋鈕置于手動，X6 接通，常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ 為跳轉(zhuǎn)指令，CJ 驅(qū)動跳至指針 P 所指 P0 處）開始執(zhí)行手動程序。之后執(zhí) CJ 指令時由于行 X7 常閉觸點(diǎn)將跳至P1 所指的結(jié)束位置。旋鈕置于自動，即 X6 閉合 X7 打開，程序執(zhí)行時將跳過手動程序執(zhí)行自動程序。3.3.3 回零程序回零 程序如圖 3.3.3 所示。S10~S12 作為回零 操作原件。當(dāng)使用 S10~S19 作為回零 操作在最后狀態(tài)復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器 M8043 置 1。（圖 3.3.3 回零狀態(tài)示意圖）3.3.4 手動操作程序如圖所示。圖中 上升/下降，左移/右移有連鎖和限位保護(hù)。21（圖 3.3.4 手動單步操作系統(tǒng)圖）3.3.5 自動操作程序如圖所示，當(dāng)機(jī)械手處于原位按下啟動按鈕 X0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S20，驅(qū)動下降Y0，到達(dá)下 限位行程開關(guān) X1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移 S21，S20 自動復(fù)位。S21 驅(qū)動 Y1 延遲一秒以便使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng) T0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S22，驅(qū)動 Y2 上升，當(dāng)上升達(dá)到上 限位 X2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S23，驅(qū)動 Y3 右移。達(dá)到右限位 X3 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S24 下降，當(dāng)達(dá)到下 限位 X1 接通，電磁鐵放松，并延遲一秒。后 T1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移 S26 上升，達(dá)到上 限位 X2 接通，S27 左移，達(dá)到左限位 X4 接通，返回初始狀態(tài)。一次循環(huán)完成。22（圖 3.3.5 自動操作流程圖圖）3.3.6 傳送梯形圖如圖所示，第 0 行到第 27 行為復(fù)位狀態(tài)。第 28 行到第 66 行為手動單步操作程序。第 67 行到 129 行為自動操作程序。這三部分模塊是圖 3.3.2 的操作系統(tǒng)運(yùn)行的?；亓?程序和自動操作系統(tǒng)是用步進(jìn)順控方式編程?；亓?程序不能自動返回初始狀態(tài) S1，自動操作程序可以自動返回初始狀態(tài) S2。23（圖 3.3.6 機(jī)械手傳送梯形圖）24結(jié) 論本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的操作過程是由電動機(jī)和氣缸組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運(yùn)用步進(jìn)順序控制編程，程序簡單且便于調(diào)試。 通過PLC 本身通信接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)場操作的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、修改、調(diào)整，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用 PLC 控制機(jī)械手相對于其它控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價比，較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性。就本課題設(shè)計(jì)的目的，實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行良好，大大方便了工作和生活。通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，在做設(shè)計(jì)的過程中對工作的細(xì)心得 到了提高，認(rèn)識到自己在這方面的不足。并且，對本設(shè)計(jì)的內(nèi)容有了更好的了解，比如加深了解了有關(guān)可編程控制器的功能，還有機(jī)械手的工作原理等等。通過做這個設(shè)計(jì)，對以前不足的知識進(jìn)行彌補(bǔ)，在指導(dǎo)老師那里學(xué)到了很多寶貴的東西，這些都是對我很有幫助的。25參考文獻(xiàn)[1] 李國平編著， 《基于 PLC 控制的氣動機(jī)械手實(shí)驗(yàn)裝置的研制[J]》 ，液壓與氣動，2003[2] 常曉玲編著， 《電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器》 ，北京；機(jī)械工業(yè)出版社，2004[3] 范建東編著， 《可編程控制器原理及應(yīng)用》 ，廣州；華南理工大學(xué)出版社，2003[4] 李乃夫編著， 《可編程控制器原理、應(yīng)用》 ，北京；中國輕工業(yè)出版社，2003[5] 郝海青編著， 《串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》 ，萬方數(shù)據(jù)庫碩博士論文，200226附錄 指令一覽表27致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究工作是在我的指導(dǎo)老師張老師的精心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助 下完成的。在這里，首先要向本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意。老師在自己緊張的工作中，仍然會抽出時間對我進(jìn)行指導(dǎo)，時刻關(guān)心我的設(shè)計(jì)的進(jìn)展?fàn)顩r。老師給予的幫助對我的設(shè)計(jì)是非常重要的，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅讓我掌握了書本中的知識，更學(xué)會了學(xué)習(xí)操作方法，如何合理安排時間和論文的編寫，對我提出的問題認(rèn)真講解，這讓我更容易懂得那些比較難的問題。其次，還要向給予此次畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助的同學(xué)們以誠摯的謝意，在整個設(shè)計(jì)過程中，他們也給我很多幫助，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文?？傊?，本次設(shè)計(jì)是在老師的指導(dǎo)下和同學(xué)的幫助下共同完成的，在設(shè)計(jì)的這段時間里，我們合作的非常愉快，教會了我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財富，使我終身受益。28河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評審表一（指導(dǎo)教師用）班級： 姓名： 學(xué)號：評價內(nèi)容 具 體 要 求 分值 評分調(diào)查論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)和調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識的能力。10實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)技能能正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。20分析與解決問題的能力能運(yùn)用所學(xué)知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題；能正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；能對課題進(jìn)行理論分析，得出有價值的結(jié)論。20工作量與工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大；工作努力，遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。20質(zhì) 量綜述簡練完整，有見解；立論正確， 論述充分，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，分析處理科學(xué)；文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；論文結(jié)果有應(yīng)用價值。20創(chuàng) 新工作中有創(chuàng)新意識；對前人工作有改進(jìn)或突破，或有獨(dú)特見解。 1029成 績 100指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽名：年 月 日