机电一体化专业毕业论文5

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1、继续教育学院毕业设计（论文）题目机械手控制系统设计专业机电一体化姓名蒋春迪学号6094714175 指导教师张鹏起讫日期2014.92016.9 2016 年 6 月 4 日机械手控制一、 机械手发展经历及主要构成机械手是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。机械手是最早出现的工业机器 人，也是最早出现的现代机器人。（一）发展历史机械手首先是从美国开始研制的。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业 机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机 器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的 记录和再现。这就是所谓的示教再

2、现机器人。现有的机器人差不多都 采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆 接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962 年美 国 AMF 公司推出的 “VERSTRAN” 和 UNIMATION 公司推出的 “UNIMATE ” 。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人 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。(二）构成部分机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是 用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重 量、材料

3、和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型 等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现 规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、 旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位 置和方位的物体，需有6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参 数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复 杂。一般专用机械手有23 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，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息， 形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控 制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。（

4、三）机械手分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式 机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨 迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。多关节机械手的优势多关节机械手的优点是 :动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着 生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越 来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从 三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同 的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟 的。机械手发展大事记

5、1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。（电磁铁工件抓放机 构）1962年，美国联合控制公司试制成一台数控示教再现型机械手。1978 年美国 Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于 装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序 控制。二、西门子公司及S7-200主要参数功能介绍西门子股份公司（ SIEMENS AG FWB ：SIE, NYSE：SI）是世界最 大的机电类公司之一， 1847年由维尔纳 冯 西门子建立。如今，它的 国际总部

6、位于德国慕尼黑。西门子股份公司是在法兰克福证券交易所 和纽约证券交易所上市的公司。2005年，西门子全集团在190 个国家 和地区雇用员工460,800人，全球收入为 754.45亿欧元（ 2004 年为 702.37亿欧元） ，税后利润较 2004年的 36.6亿欧元降至 24.2亿欧元。西门子是一家大型国际公司，其业务遍及全球190多个国家，在 全世界拥有大约600家工厂、研发中心和销售办事处。公司的业务主 要集中于 6 大领域：信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗 系统和照明。西门子的全球业务运营分别由13 个业务集团负责，其中 包括西门子财务服务有限公司和西门子房地资产管理集团。

7、此外，西 门子还拥有两家合资企业博士西门子家用电器集团和富士通计 算机（控股）公司。S7-200 是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合 中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在 独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能 /价格比。（一）适用范围S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围 可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极 为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域， 包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床，磨床，印刷机

8、械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制， 运动系统。S7-200系列 PLC 可提供 4 个不同的基本型号的8 种 CPU 供您使 用。模拟电位器CPU221/222 1个CPU224/224XP/226 2个（三）脉冲输出2 路高频率脉冲输出（最大20KHz） ，用于控制步进电机或伺服 电机实现定位任务。电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时 器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5 天。选用电池模块能 延长存贮时间到200天（10 年寿命） 。电池模块插在存储器模块的卡槽 中。（五）各型号的优点CPU221 本机集成 6 输入/4 输出共 10 个数字量 I/O

9、点。无 I/O 扩展能力。 6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。 1 个 RS485通讯/编程口，具有 PPI通讯协 议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微 型控制器。CPU222 本机集成 8 输入/6 输出共 14 个数字量 I/O 点。可连接 2 个扩展模 块。6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。 1 个 RS485通讯/编程口，具有 PPI通 讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制 的微

10、型控制器。CPU224 本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展 模块，最大扩展至168路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字 节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。 1 个 RS485通讯/编程口，具 有 PPI通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很 容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU224XP 本机集成 24 输入/16输出共 40 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块， 最大扩展至 24

11、8路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序 和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。 2 个 RS485通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地 整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强 的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。 可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。三、机械手设计要求及功能机械手模拟控制窗口如图所示。图中机械手可抓紧、放送工件，可上 下、左右移动，模拟界面的右侧为按控制要

12、求设计的操作台。控制要求机械手设有调整、连续、单周及步进四种工作方式，工作时要首先选 择工作方式，然后操作对应按钮。机械手运行方式调整工作方式可按相应按钮实现左移、右移、上移、下移、加紧、放松各个动作的 单独调整。连续工作方式按下起动按钮，机械手按下降加紧上升右移下降放松上 升左移的顺序周而复始的连续工作；按下停止按钮，机械手将自动 结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。单周工作方式按下起动按钮后，机械手按下降加紧上升右移下降放 松上升左移的顺序自动工作一个周期停止。若要再工作一个周期， 可再次按下起动按钮。按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工 作，回到原位后停止。

13、按下急停按钮，系统立即停车。步进工作方式每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。按下急停按钮， 系统立即停车。程序设计要点由机械手的工作过程可知，这是一个典型的顺序控制系统。为此，可 从机械手的连续工作方式入手编写程序。首先应绘出连续工作时的功 能表图，然后直接列写逻辑表达式，用触点线圈指令编程，也可使用 置位复位指令或顺序控制继电器指令来完成。为了将每一步的工作状 态显示出来，动画模拟软件使用了内部存储器位M51、M52、M53、 M54、M55、M56、M57、M40、M41 来分别表示 的运行状态。 编程过程中，需要注意特别处理的问题是、和、步的动作问 题，虽然 、步都是下降操作

14、，但却具有不同的意义，步下降是 空钩下降，而 步下降则是夹着工件下降。、步的上升操作也是 这样。单周期操作的程序实现可在连续工作程序的基础上通过经验修改实 现。其要点是是设法阻止机械手在一个周期工作结束后自动进入下一 周期，一般在下降的启动回路想办法。单步操作的实现与单周期工作的实现是相似的。即设法在每一步工作 结束后，不是直接启动下一步的工作，而是等待启动按钮的命令后再 工作。（四）程序结构框图图 3.4.1 基于 S7-200的机械手 PLC 控制程序五、分析该设计优缺点该设计方式初步满足了设计要求，实验证明能够按照设定的工作方式稳定运行。以上是在同一个顺序控制程序中完成的连续工作、单周期

15、工作和单步工作的程序编制思路，实际上也可以采用分段跳转的办法来完成这三种操作。这种方法编制的程序结构清晰，但程序数量摘要机 电 一 体 化 是 现 代 科 学 技 术 发 展 的 必 然 结 果 。 此 简述 机 电 一 体 化 技 术 的 基 本 情 况 和 发 展 背 景 ,综 述 国 内外 机 电 一 体 化 技 术 的 现 状 ,分 析 机 电 一 体 化 技 术 的 发展 趋 势 。关 键 词 ： 机 电 一 体 化技 术现 状发 展 趋目录第 一 篇 ： 什 么 是 机 电 一 体 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

16、* 31.1机 电 一 体 化 ” ？ 它 的 来 源 是 什 么 ？ * * * * * *41. 2 一 体 化 技 术 基 本 概 念 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 41. 3体 化 技 术 五 大 组 成 要 素 与 四 大 原 则 ： * * * * * * * * * * * * * 4 第 二 篇 ： 机 电 一 体 化 发 展 历 程 及 其 趋 势 * * * * * * * * * * * * * * 6 2. 1 一 体 化 ” 的 发 展 历 程 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 62. 2 一 体 化 ” 发 展 趋 势 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 6 2. 3 的 机 电