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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目：機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2010963125
姓 名： 王 彬
指導(dǎo)教師： 徐志遠(yuǎn)
完成日期： 2014年05月20日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 徐志遠(yuǎn) 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
機(jī)械手在專用機(jī)床及自動(dòng)線上應(yīng)用十分廣泛，主要用于搬運(yùn)或裝卸零件的重復(fù)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。
1、對(duì)機(jī)械手及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動(dòng)作；搬運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)可靠。
2、繪制一張總裝配圖。
3、獨(dú)立完成程序控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)符合控制要求的程序。
4、論文字?jǐn)?shù)要求：8000字以上。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
1、選用常見的搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)其功能。
2、上升、下降、夾緊等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)手段。
3、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。
4、運(yùn)用PLC控制動(dòng)作的轉(zhuǎn)換。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱資料、熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容
2013.12.21-2014.1.22
2
開題報(bào)告、制訂設(shè)計(jì)方案
2014.1.23~2014.3.10
3
機(jī)械手結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2014.3.11~2014.4.20
4
寫出初稿
2014.4.21~2014.5.10
5
修改，寫出第二稿
2014.5.11~2014.5.20
6
寫出正式稿
2014.5.21~2014.5.31
7
答辯
2014.6
8
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] 王本軼. 機(jī)床設(shè)備控制基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 283-288.
[2] 熊幸明. 一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 22(11): 120-122.
[3] 王炳實(shí). 機(jī)床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 146-162.
[4] 蔣少茵. PLC控制的機(jī)械手[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2002, 18(2): 20-22.
[5] 劉軒, 王麗偉. 機(jī)械手的PLC控制[J]. 機(jī)床電器. 2006, (3): 34-49.
[6] 郭劍暉. 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南昌: 南昌大學(xué). 2012.
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2010963125 姓名 王彬 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
評(píng)閱人：
2014年 月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見
學(xué)號(hào)： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 28 頁(yè) 圖 表 1 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要： 機(jī)械手在現(xiàn)代化自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，它的應(yīng)用和普及為自動(dòng)化生
產(chǎn)，安全生產(chǎn)提供了有力的條件，其中在機(jī)械手的應(yīng)用和普及中最為核心的就是機(jī)械手
的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是機(jī)械手的大腦和靈魂，它指揮著機(jī)械手完成特定的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)
其相應(yīng)的功能，在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的主要作用是進(jìn)行搬運(yùn)，因此其實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作有
原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位，這些動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)
使得機(jī)械手能過(guò)完整地完成一次物件的搬運(yùn)，從而節(jié)約物力和人力，有利于提高生產(chǎn)效
率，節(jié)約成本。該機(jī)械手的形狀和構(gòu)成如附件1中圖所示，而其控制功能的實(shí)現(xiàn)，這里
選用的是西門子公司的S7-200軟件，通過(guò)編寫的程序（如附件2，3），控制系統(tǒng)指揮
各電子元件來(lái)完成其功能。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
答辯小組組長(zhǎng)：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
目 錄
第1章 緒論……………………………………………………………………… 1
1.1 課題研究目的及意義……………………………………………………… 1
1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況…………………………………………………… 1
1.3 課題研究的內(nèi)容和預(yù)計(jì)達(dá)到目的………………………………………… 2
第2章 機(jī)械手介紹……………………………………………………………… 3
2.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型……………………………………………………… 3
2.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)選型……………………………………………………… 5
第3章 S7-200系統(tǒng)的基本介紹………………………………………………… 8
3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成………………………………………………… 8
3.2 S7-200PLC內(nèi)部資源……………………………………………………… 9
第4章 電機(jī)和傳感器選擇……………………………………………………… 11
4.1 電機(jī)選擇…………………………………………………………………… 11
4.2 傳感器選擇………………………………………………………………… 12
第5章 控制部分設(shè)計(jì)………………………………………………………………14
5.1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)………………………………………………………… 14
5.2 PLC程序編寫……………………………………………………………… 15
5.3 PLC程序調(diào)試……………………………………………………………… 24
第6章 總結(jié)……………………………………………………………………… 26
致謝………………………………………………………………………………… 27
主要參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 28
第1章緒論
1.1課題研究的目的和意義
機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊?，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段。國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用和發(fā)展。
可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。
由于自動(dòng)化可以節(jié)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優(yōu)越性，如通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，因此工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用PLC。機(jī)械手在美國(guó)、加拿大等國(guó)家應(yīng)用較多，如用果實(shí)采摘機(jī)械手來(lái)摘果實(shí)、裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用智能機(jī)器人等。我國(guó)自動(dòng)化水平本身比較低，因此用PLC來(lái)控制的機(jī)械手還比較少。本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的。通過(guò)此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能多的應(yīng)用于實(shí)踐。
1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究概況
機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，正式投入使用的絕大部分機(jī)械手屬于第一代機(jī)械手，即程序控制機(jī)械手。這代機(jī)械手基本上采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)，沒(méi)有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機(jī)械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎(chǔ)，但可以根據(jù)外界環(huán)境信息對(duì)控制程序進(jìn)行校正。這代機(jī)械手通常采用接觸傳感器一類的簡(jiǎn)單傳感裝置和相應(yīng)的適應(yīng)性算法?，F(xiàn)在，第三代機(jī)械手正在第一、第二代機(jī)械手的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來(lái)，它是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為做出自主決策能力的智能化機(jī)械手。它能識(shí)別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作，具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)能力等人工智能。
目前機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì)。
國(guó)外方面：近幾年國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。
國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)。
1.3課題研究的內(nèi)容和預(yù)計(jì)達(dá)到目的
本課題主要研究的是基于PLC的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。利用組態(tài)軟件MCGS設(shè)計(jì)出人機(jī)界面，進(jìn)行設(shè)備和數(shù)據(jù)對(duì)象的連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的監(jiān)控。通過(guò)MCGS將機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫演示，使機(jī)械手的動(dòng)作形象化。提供較為直觀、清晰、準(zhǔn)確的機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。
本課題要達(dá)到的目的有：1.機(jī)械手的機(jī)構(gòu)能滿足其動(dòng)作要求，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。2.上升，下降，夾緊等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)手段。3.電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。4.運(yùn)用PLC控制動(dòng)作的轉(zhuǎn)換4.完成基本設(shè)計(jì)后要達(dá)到以下要求：實(shí)現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動(dòng)作；搬運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會(huì)出現(xiàn)工件的脫落。
第2章機(jī)械手介紹
在本課題中機(jī)械手主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分所構(gòu)成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械手的機(jī)械部分，由于此課題主要研究的是通用機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以在這里不需要再另外進(jìn)行機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，所以這里只做簡(jiǎn)要的介紹。顧名思義在本課題中執(zhí)行機(jī)構(gòu)即是指機(jī)械手，而機(jī)械手又由手指，關(guān)節(jié)，大臂，小臂，支座等幾部分構(gòu)成，通過(guò)這幾部分來(lái)模擬人手臂，以期完成需要的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)其功能。與此同時(shí)在該裝置中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)來(lái)給予整個(gè)裝置提供動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)支持，它的選擇是經(jīng)過(guò)與其他驅(qū)動(dòng)方式相互比較后得來(lái)的，這一點(diǎn)在后面的論文中會(huì)有詳細(xì)的介紹。最后關(guān)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)的選擇及其控制功能的實(shí)現(xiàn)，由于PLC軟件具有簡(jiǎn)單易學(xué)，使用和維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此這里選擇的是PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)。
2.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
該機(jī)械手一共具有三個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要三個(gè)動(dòng)力源。機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表1
表2-1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照
內(nèi)容
驅(qū)動(dòng)方式
液壓驅(qū)動(dòng)
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)
輸出功率
? 很大，壓力范圍為50～140Pa
大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa
? 較大
控制性能
利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制
控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜
響應(yīng)速度
? 很高
較高
? 很高
結(jié)構(gòu)性能及體積
結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大
結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小
伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題
安全性
防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)
防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性
設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差
對(duì)環(huán)境的影響
液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染
排氣時(shí)有噪聲
無(wú)
在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用范圍
適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手
適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)械手，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具
適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等
成本
液壓元件成本較高
成本低
成本高
維修及使用
方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求
方便
較復(fù)雜
機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：
1）．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；
2）．反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；
3）．驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?
4）．安全可靠；
5）．操作和維護(hù)方便；
6）．對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要??；
7）．經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。
基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)械手進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
2.2機(jī)械手控制系統(tǒng)選型
傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備自動(dòng)控制主要由繼電器或分立的電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種控制方式投資相對(duì)少一些，目前僅在一些舊式的、簡(jiǎn)單的工業(yè)設(shè)備中還有一定市場(chǎng)，但該控制方式卻有以下致命缺陷：（1）僅適合于簡(jiǎn)單的邏輯控制；（2）僅適合特殊的工程項(xiàng)目，而沒(méi)有通用性；（3）沒(méi)有改動(dòng)和優(yōu)化的可能性。伴隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從繼電器控制到計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)變，計(jì)算機(jī)控制方式具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）硬件上至少有一個(gè)微處理器；（2）通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制思想。目前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域比較典型的控制方式有：（1）可編程序邏輯控制器（PLC）；（2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）；（3）集散控制系統(tǒng)（DCS）。下面對(duì)著三種控制方式做簡(jiǎn)要的介紹和對(duì)比：
計(jì)算機(jī)是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)方面，總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，故對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜和計(jì)算工作量大的工業(yè)對(duì)象的控制占有優(yōu)勢(shì)。
集散系統(tǒng)從工業(yè)自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，初期主要用在連續(xù)過(guò)程控制，側(cè)重回路調(diào)節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，主要應(yīng)用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側(cè)重于開關(guān)量順序控制方面。
近年來(lái)隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等的發(fā)展，PLC在技術(shù)和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調(diào)節(jié)等功能模塊；運(yùn)算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網(wǎng)絡(luò)(LAN)，因而也可構(gòu)成為一個(gè)集散系統(tǒng)。特別是個(gè)人計(jì)算機(jī)也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過(guò)程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場(chǎng)總線，暨向下拓展功能，開放總線。
在微電子技術(shù)發(fā)展的背景下，從硬件的角度來(lái)看，PLC、工業(yè)計(jì)算機(jī)、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點(diǎn)。
由于PLC和計(jì)算機(jī)屬于兩類產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點(diǎn)和軟件工具，實(shí)際上它們的區(qū)別仍然存在。
PLC用編程器或計(jì)算機(jī)編程，編程語(yǔ)言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形成組態(tài)構(gòu)成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。
特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機(jī)的區(qū)別，無(wú)論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運(yùn)行，但在線運(yùn)行時(shí)若要進(jìn)行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機(jī)，但是從開關(guān)量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機(jī)。
總的來(lái)說(shuō)，在選擇控制器時(shí)，首先要從工程要求、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。沒(méi)有哪種控制器是絕對(duì)完善的，也沒(méi)有哪種產(chǎn)品絕對(duì)差，只能說(shuō)根據(jù)不同的環(huán)境選擇更適用的產(chǎn)品。
PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工藝流程來(lái)設(shè)計(jì)。
PLC自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在美國(guó)、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前，PLC在國(guó)際市場(chǎng)上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產(chǎn)品，用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為世界潮流。
PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和市場(chǎng)的要求：高可靠性、強(qiáng)抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡(jiǎn)便、低價(jià)格長(zhǎng)壽命。比之單片機(jī)，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時(shí)間和成本。PLC的下端（輸入端）為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計(jì)算機(jī)。人們?cè)趹?yīng)用它時(shí)，可以不必進(jìn)行計(jì)算機(jī)方面的專門培訓(xùn)，就能對(duì)可編程控制器進(jìn)行操作及編程，用來(lái)完成各種各樣的復(fù)雜程度不同的工業(yè)控制任務(wù)。
PLC具有很多的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同工作要求。機(jī)械手采用PLC控制技術(shù)，可以大大提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。
綜上所述，機(jī)械手的控制方式選擇PLC控制(這里采用最新版的S7-200系列PLC).
第3章S7-200系統(tǒng)的基本介紹
S7-200PLC是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。在2000年以前，西門子在中國(guó)市場(chǎng)的PLC產(chǎn)品主要是大中型的PLC，日本的小型PLC占據(jù)了中國(guó)的大部分市場(chǎng)份額。在S7-200推出后，這種情況得到了明顯的改變，最近幾年以來(lái)的小型PLC市場(chǎng)上S7-200成為了主流產(chǎn)品。
西門子最早的小型PLC產(chǎn)品是在上世紀(jì)末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的產(chǎn)品所取代了。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)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)?，F(xiàn)在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特點(diǎn)是：較高的可靠性，豐富的指令集，豐富的內(nèi)置集成功能，實(shí)時(shí)特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力。
3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構(gòu)成
S7-200PLC屬于小型PLC，其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式，主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，一個(gè)主機(jī)單元就是一個(gè)系統(tǒng)。它還可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，如果I/O點(diǎn)數(shù)量不夠，則可以增加I/O擴(kuò)展模塊；如果需要其他特殊的功能，則可以增加相應(yīng)的功能模塊。一個(gè)完整的系統(tǒng)組成由主機(jī)單元，擴(kuò)展單元，特殊功能模塊，相關(guān)設(shè)備，軟件五部分構(gòu)成，其構(gòu)成如圖3-1所示。
圖3-1
主機(jī)單元：又叫基本單元或CPU模塊。它是由CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等組成，是PLC的主要部分。實(shí)際上它就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。
擴(kuò)展單元：也稱擴(kuò)展模塊。當(dāng)主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的數(shù)量不同（如4點(diǎn)，8點(diǎn)，16點(diǎn)等），性質(zhì)不同（如DI,DO,AI,AO等），供電電壓不同（如DC24V,AC220V等），I/O擴(kuò)展模塊有多種類型。每個(gè)CPU所能鏈接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能用的I/O點(diǎn)數(shù)是由多種因素共同決定的。S7-200的I/O擴(kuò)展模塊有EM221，EM222，EM223，EM231,EM232，EM235等。在此次的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于其主程序的網(wǎng)絡(luò)有三十多條但PLC只提供了25條輸入網(wǎng)絡(luò)因此需要用到一個(gè)輸入擴(kuò)展模塊EM221，這里選擇使用一個(gè)16點(diǎn)的DC。
特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置，如運(yùn)動(dòng)控制模塊，特殊通信模塊等。
相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為充分利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)，使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備，人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。
軟件：軟件是為管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序，對(duì)S7-200PLC來(lái)說(shuō)，與其配套的軟件主要有編程軟件STEP7-Micro/WIN和HMI人機(jī)界面的組態(tài)編程軟件ProTool，WinCC fexible。在這里選用的是STEP7-Micro/WIN軟件。
3.2 S7-200PLC內(nèi)部資源
軟元件：用戶使用的PLC中的每一個(gè)輸入/輸出，內(nèi)部存儲(chǔ)單元，定時(shí)器等都稱作軟元件。軟元件有其不同的功能，有固定的地址。軟元件的數(shù)量決定了可編程控制器的規(guī)模和數(shù)據(jù)處理能力，每一種PLC的軟元件數(shù)量是有限的。在該設(shè)計(jì)方案中，需要用到的軟元件有輸入繼電器，輸出繼電器，通用輔助繼電器，變量存儲(chǔ)器，定時(shí)器等。
1.輸入繼電器位于PLC存儲(chǔ)器額的輸入過(guò)程映像寄存器（Process-Image Input Register）區(qū)，其外部有一對(duì)物理的輸入端子與之對(duì)應(yīng)，該觸點(diǎn)用于接收外部的開關(guān)信號(hào)，比如按鈕，行程開關(guān)，光電開關(guān)等傳感器的信號(hào)都是通過(guò)輸入繼電器的物理端子接入到PLC的。當(dāng)外部的開關(guān)信號(hào)閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些觸點(diǎn)可以在編程時(shí)任意使用，使用次數(shù)不受限制。
每個(gè)輸入繼電器都對(duì)應(yīng)有一個(gè)映像寄存器，在每個(gè)掃描周期的開始，PLC對(duì)個(gè)輸入點(diǎn)進(jìn)行采樣，并把采樣值通過(guò)輸入繼電器送到映像寄存器。PLC在接下來(lái)的本周期各階段不在改變輸入映像寄存器中的值，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段。
實(shí)際輸入點(diǎn)數(shù)不能超過(guò)PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量，具有地址而未用的輸入映像區(qū)可能有剩余，它們可以做其他編程元件使用，但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不報(bào)這些未用的輸入繼電器作為它用。
2.輸出繼電器位于PLC存儲(chǔ)器的輸出過(guò)程映像寄存器（Process-Image Outout Register）區(qū)，都有一個(gè)PLC上的物理輸出端子與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)通過(guò)程序使得輸出繼電器線圈得電時(shí)，PLC上的輸出端開關(guān)閉合，可以作為控制外部負(fù)載的開關(guān)信號(hào)。同時(shí)在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些內(nèi)部的觸點(diǎn)可以在編程時(shí)任意使用，使用次數(shù)不受限制。
在每個(gè)掃描周期的輸入采樣、程序執(zhí)行等階段，并不把輸出結(jié)果信號(hào)直接送到輸出繼電器，而只是輸出映像寄存器；只有在每個(gè)掃描周期的最后階段才將輸出映像寄存器中的結(jié)果同時(shí)送到輸出鎖存器，對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新。實(shí)際輸出點(diǎn)數(shù)不能超過(guò)PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數(shù)量，未用的輸出映像寄存器可做它用；但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不使用這些未用的輸出繼電器。
3.通用輔助繼電器（或中間繼電器）位PLC存儲(chǔ)器的位存儲(chǔ)器（Bit Memory Area）區(qū)，其作用和繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相同，它在PLC中沒(méi)有外部的輸入端子或輸出端子與之對(duì)應(yīng)，因此它不能受外部信號(hào)的直接控制，其觸點(diǎn)也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。這是它與輸入繼電器和輸出繼電器的主要區(qū)別。它主要用來(lái)在程序設(shè)計(jì)中處理邏輯控制任務(wù)。
4.變量存儲(chǔ)器（Variable Memory）用來(lái)存儲(chǔ)變量的值，他可以存放程序執(zhí)行過(guò)程中的控制邏輯操作的中間結(jié)果，也可以使用變量存儲(chǔ)器來(lái)保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)或值可以是數(shù)值，也可以是“1”或“0”這樣的位邏輯值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)或使用大量的存儲(chǔ)單元邏輯時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)經(jīng)常使用。
5.定時(shí)器(Timer)是可編程序控制器中重要的編程元件，是累計(jì)時(shí)間增量的內(nèi)部器件。電氣自動(dòng)控制的大部分領(lǐng)域都需要用定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間控制，靈活地使用定時(shí)器可以編制出復(fù)雜動(dòng)作的控制程序。
定時(shí)器的工作過(guò)程與繼電接觸控制系統(tǒng)的時(shí)間繼電器基本相同，但他沒(méi)有瞬動(dòng)觸點(diǎn)。使用時(shí)要提前輸入時(shí)間預(yù)設(shè)值，當(dāng)定時(shí)器的輸入條件滿足時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)前值從0開始按一定的時(shí)間單位增加；當(dāng)定時(shí)器的當(dāng)前值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，定時(shí)器觸點(diǎn)動(dòng)作。利用定時(shí)器的觸點(diǎn)就可以完成所需要的定時(shí)控制任務(wù)。
第4章電機(jī)和傳感器選擇
4.1電機(jī)選擇
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、輸出部分等。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)如下表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理，如圖4-2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有電源輸入部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分等，利用驅(qū)動(dòng)器可以很方便的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)器電源由面板上電源模塊提供，驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖4-2中1.5K電阻）。驅(qū)動(dòng)器輸入端為低電平有效。PLC通過(guò)控制其輸出點(diǎn)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器光耦的開合，當(dāng)PLC輸出線圈得電
表4-1 電氣規(guī)格
說(shuō)明
最小值
典型值
最大值
單位
供電電壓
18
24
40
V
均值輸出電流
0.21
1
1.50
A
邏輯輸入電流
6
15
30
mA
步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率
—
—
100
kHz
脈沖低電平時(shí)間
5
—
1
μs
表4-2 電流設(shè)定
電流值
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 細(xì)分設(shè)定
細(xì)分倍數(shù)
步數(shù)/圈（1.8Ｏ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
由外部確定
動(dòng)態(tài)改細(xì)分/禁止工作
OFF
OFF
OFF
表4-4 接線信號(hào)描述
信 號(hào)
功 能
PUL
脈沖信號(hào)：上升沿有效，每當(dāng)脈沖由低變高時(shí)電機(jī)走一步
DIR
方向信號(hào)：用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，TTL平驅(qū)動(dòng)
OPTO
光耦驅(qū)動(dòng)電源
ENA
使能信號(hào)：禁止或允許驅(qū)動(dòng)器工作，低電平禁止
GND
直流電源地
+V
直流電源正極，典型值+24V
A+
電機(jī)A相
A-
電機(jī)A相
B+
電機(jī)B相
B-
電機(jī)B相
時(shí)，晶體管導(dǎo)通，相應(yīng)的觸電輸出低電平，使驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通，當(dāng)PLC輸出線圈失電時(shí)，晶體管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)器光耦截止。另外若不采用驅(qū)動(dòng)器，而采用PLC輸出觸點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，會(huì)占用很多的輸出觸點(diǎn)，同時(shí)給編程帶來(lái)不便。
圖4-1 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接及工作原理
4.2傳感器選擇
本裝置中使用的傳感器有接近開關(guān)和行程開關(guān)?；蜌鈯A的正反轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)（金屬傳感器），通過(guò)調(diào)整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內(nèi)改變基座
圖4-2 傳感器工作原理圖
和氣夾的旋轉(zhuǎn)角度。機(jī)械手的伸縮、升降均采用行程開關(guān)來(lái)限位，并通過(guò)改變行程開關(guān)的位置來(lái)調(diào)節(jié)橫軸和豎軸的運(yùn)動(dòng)范圍。
1、接近開關(guān)：接近開關(guān)有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍(lán)色接電源的負(fù)極、黑色為輸出信號(hào)，當(dāng)與檔塊接近時(shí)輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，輸出端對(duì)地接通。PLC內(nèi)部光耦與傳感器電源構(gòu)成回路，PLC信號(hào)輸入有效，工作原理如上圖所示。
2、行程開關(guān)：當(dāng)檔塊碰到開關(guān)時(shí)，常開點(diǎn)閉合。
第5章控制部分設(shè)計(jì)
機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲(chǔ)方式有分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。
分離存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息分別存儲(chǔ)于兩種以上的存儲(chǔ)裝置中，如順序信息存儲(chǔ)于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)；位置信息存儲(chǔ)于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息全部存儲(chǔ)于一種存儲(chǔ)裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場(chǎng)合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反復(fù)使用；穿孔帶容納的程序長(zhǎng)度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復(fù)使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲(chǔ)容量較大的場(chǎng)合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程序和精確程序來(lái)確定。
對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個(gè)凸輪分配給一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)一周便完成一個(gè)循環(huán)。
5.1電機(jī)正反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)
由于搬運(yùn)機(jī)械手的工作是一種往復(fù)運(yùn)動(dòng)，就要求電動(dòng)機(jī)能可逆運(yùn)行。由電動(dòng)機(jī)原理可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的三相電源進(jìn)線中任意兩相對(duì)調(diào)，電動(dòng)機(jī)即可反向運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，可借助接觸器改變定子繞組相序來(lái)實(shí)現(xiàn)正反向的切換工作，其線路如圖5-1所示。
當(dāng)出現(xiàn)誤操作，即同時(shí)按正反向啟動(dòng)按鈕SF2和SF3時(shí)，若采用5-1（a）所示線路，將造成短路故障，如圖中虛線所示因此正反相間需要有一種連鎖關(guān)系。通常采用圖5-1（b）所示的電路，將其中的一個(gè)接觸器的常閉觸點(diǎn)串入另一個(gè)接觸器線圈電路，則任一接觸器線圈先帶電后，即使按下相反方向按鈕，另一接觸器也無(wú)法得電。這種連鎖通常稱作互鎖，即兩者存在相互制約的關(guān)系。工程上通常還使用帶有機(jī)械互鎖的可逆接觸器，進(jìn)一步保證兩者不能同時(shí)通電，提高可靠性。
圖5-1（b）所示的電路要實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，必須先停止正轉(zhuǎn)運(yùn)行，再按反向啟動(dòng)按鈕才行，反之亦然。所以這個(gè)電路稱作“正-停-反”控制。圖5-1（c）所示的電路可以實(shí)現(xiàn)不按停止按鈕，直接按方向按鈕就能使電動(dòng)機(jī)反向工作。這個(gè)電路稱作“正-反-?！笨刂?。
在這里我們選擇圖5-1（c）所示的電路圖。
圖5-1正反向工作的控制線路
5.2 PLC程序編寫
（1）輸入/輸出點(diǎn)地址分配
輸入點(diǎn)： 輸出點(diǎn)：
啟動(dòng)按鈕SF1 I0.0 原始位置指示燈PG Q0.0
停止按鈕SF2 I0.1 抓放物體手指MB Q0.1
上限位開關(guān)BG1 I0.2 下行接觸器QA1 Q0.2
下限位開關(guān)BG2 I0.3 上行接觸器QA2 Q0.3
左限位開關(guān)BG3 I0.4 右行接觸器QA3 Q0.4
右限位開關(guān)BG4 I0.6 左行接觸器QA4 Q0.5
（2）系統(tǒng)功能如圖5-2所示，梯形圖如圖5-3所示，語(yǔ)句表如圖5-4所示。
（3）簡(jiǎn)要說(shuō)明
a．在機(jī)械臂上、下、左、右行走的控制中，使用了一個(gè)軟件連鎖粗點(diǎn)，替代了SM0.0.
b.S7-200PLC的順控指令不支持直接輸出（=）的雙線圈操作。如果在圖5-2中的狀態(tài)S0.1的SCR段有Q0.2（下行）輸出，在狀態(tài)S1.0的SCR段也有Q0.2輸出，則不管在什么情況下，在前面的Q0.2永遠(yuǎn)不會(huì)有效。這是S7-200PLC順控指令設(shè)計(jì)方面的缺陷，給用戶的使用帶來(lái)了極大的不便。所以在使用S7-200PLCD的順控指令時(shí)一定不要有雙線圈輸出。為解決這個(gè)問(wèn)題，可采用中間繼電器邏輯過(guò)渡一下。凡是有重復(fù)使用的相同輸出驅(qū)動(dòng)，在SCR段中先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯，在程序的最后再進(jìn)行合并輸出處理。但左行時(shí)只有在狀態(tài)S1.3中用到了Q0.5，所以就不用中間過(guò)渡處理了。
圖5-2 機(jī)械臂裝置功能圖
圖5-3機(jī)械臂裝置梯形圖
圖5-4 機(jī)械臂裝置語(yǔ)句表
5.3 PLC程序調(diào)試
由于PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過(guò)于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運(yùn)行。因此，討論P(yáng)LC設(shè)計(jì)調(diào)試就具有十分重要的意義。
1、 輸入接線
（1）輸入接線一般不要超過(guò)30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些。
（2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。
（3）利用普通二極管恰當(dāng)?shù)拇釉赑LC輸入回路中，防止信號(hào)干擾，使PLC輸入信號(hào)大大增強(qiáng)。
2、電源接線
電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小、波形畸變較小的電源，這對(duì)提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備（如高頻爐、弧焊機(jī)等）分開。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關(guān)電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來(lái)抗干擾。隔離變壓器是初級(jí)和次級(jí)之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導(dǎo)磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個(gè)接地抽頭。初級(jí)與次級(jí)之間的靜電屏蔽要聯(lián)結(jié)到零點(diǎn)位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點(diǎn)。在選用交流穩(wěn)壓器時(shí)，一般可按照實(shí)際最大需求容量的130%計(jì)算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。
PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。由于本設(shè)計(jì)使用的是STEP7系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關(guān)或接近開關(guān)）提供直流24V電源。
3、接地
正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應(yīng)采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。
在程序調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時(shí)，剛開始由于對(duì)STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯(cuò)誤，加上機(jī)械手模型裝置本身存在的一些問(wèn)題，所以在調(diào)試程序時(shí)，機(jī)械手動(dòng)作不符合控制要求。經(jīng)過(guò)不斷查閱資料，研究、改進(jìn)，最終程序調(diào)試成功。機(jī)械手運(yùn)行良好，動(dòng)作正確、符合控制要求。
第6章 總 結(jié)
在本次課題設(shè)計(jì)中，機(jī)械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，使用PLC進(jìn)行控制可方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，可以根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機(jī)械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。
可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性，在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起了非常重要的作用，但在PLC控制的過(guò)程中還有許多的問(wèn)題需要解決，本人在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了許多的問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)努力和查找個(gè)方面的資料最終都解決了。該搬運(yùn)機(jī)械手充分利用了自動(dòng)化技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用工況的情況，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊，像搭積木一樣進(jìn)行組合。這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，反映了自動(dòng)化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，也將始終貫穿于機(jī)械手的開發(fā)及應(yīng)用中。該機(jī)械手既可以用于專用的場(chǎng)合，又可以作為通用機(jī)械手用于其它的工業(yè)場(chǎng)合，手部可以按需要配置其它機(jī)構(gòu)，適用范圍較廣
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致 謝
時(shí)光的流逝也許是客觀的，然而流逝的快慢卻純是一種主觀的感受。當(dāng)自己 終于可以從考研、找工作、畢業(yè)論文的壓力下解脫出來(lái)，長(zhǎng)長(zhǎng)地吁出一口氣時(shí)， 我忽然間才意識(shí)到，原來(lái)四年已經(jīng)過(guò)去，到了該告別的時(shí)候了。一念至此，竟有些恍惚，所謂白駒過(guò)隙、百代過(guò)客云云，想來(lái)便是這般惆悵了?？墒菒澣恢?總要說(shuō)些什么。大學(xué)四年，生活其實(shí)很簡(jiǎn)單，只是一些讀書、寫字和考試的周而復(fù)始。如果把這種單調(diào)的生活看作一場(chǎng)場(chǎng)循環(huán)的演出，那么我只是一個(gè)安靜的演員。這篇畢業(yè)論文也稱不上什么精彩的臺(tái)詞，只不過(guò)是這種循環(huán)演出即將告一段落時(shí)的謝幕詞。但是無(wú)論多么蹩腳的演員，無(wú)論臺(tái)下有多少觀眾，即使是只說(shuō)給自己聽，在他謝幕時(shí)也總要感激一些人，是這些人幫助他走上舞臺(tái)，成功或者不那么成功地“演出”。我在這里首先要感謝的是我的學(xué)位論文指導(dǎo)老師——徐志遠(yuǎn)老師。這篇畢業(yè)論文從開題、資料查找、修改到最后定稿，如果沒(méi)有他的幫助，尚不知以何等糟糕的面目出現(xiàn)。我很自豪有這樣一位老師，他值得我感激和尊敬。 感謝和我共度四年美好大學(xué)生活的2010級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班的全體同學(xué)。感謝興湘學(xué)院所有授課老師，你們使我終身受益。感謝所有關(guān)心、鼓勵(lì)、支持我的家人、親戚和朋友。
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