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1、目录前 言1第一章 绪 论21.1课题背景与现实意义21.2可编程控制器的产生特点及发展趋势21.3本文主要工作5第二章 方案论证和选择72.1 题目与要求72.2 方案选择与论证8利用单片机实现对机械手的控制8利用传统继电器实现对机械手的控制82.2.3 实现对机械手的控制82.3 系统流程图9第三章 系统的硬件设计103.1 功能按钮概述103.2 机械手传送系统输入和输出点分配表103.3 输入和输出点分配表103.4 输入和输出点原理接线图12第四章 系统的软件134.1 机械手操作系统程序图及原理134.1.1 操作程序图134.1.2 操作系统原理134.2 原位程序144.3 动
2、单步操作程序144.4 自动操作程序154.4.1 程序原理154.4.2 操作状态转移图154.5 机械手传送系统梯形图164.6 系统调试18第五章 总结与展望205.1 系统总结205.2 展望20参 考 文 献21前 言工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国
3、民经济各领域有着广阔的发展前景。用机械手可以代替人从事单调重复或繁重的体力劳动实现生產的机械化和自动化代替人在有害环境下的手工操作改善劳动条件保证人身安全。20世纪40年代后期美国在原子能实验中首先采用机械手搬运放射性材料人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后机械手逐步推广到工业生產部门用于在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手能
4、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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。第一章 绪 论1.1课题背景与现实意义可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为
5、了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。近年来，对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视，并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这方面起步较晚，研究多集中在理论方面。因此，设计制造一个实际的搬运机械手平
6、台，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的。1.2 可编程控制器的产生特点及发展趋势可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可*性高，通用灵活，体积小，使用寿命长
7、等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable
8、Controller），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指
9、令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC的主要特点：1、高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。（3
10、）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小
11、型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通
12、过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 PLC的发展阶段：虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在
13、软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外
14、，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。3、近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.3 本文主要工作本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个工业机械手，能实现工业机械手的基本功能。工作内容:（1）阐述机
15、械手在工业应用中的作用和意义（2）设计机械手的方案选择与实现（3）机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定，PLC的电气连线图,I/O地址分配表等（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。（5）最后是系统调试和参考文献的列举第二章 方案论证和选择2.1 题目与要求采用电气控制的搬运机械手，其任务是把左工位的工件搬运到右工位，机械手的工作方式分为手动和连续两种。 工作方式如下：机械手在原位压左限位开关和上限位开关，按启动按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直到压动右限位开关后自停；接着机械手开始下降，下降到右工位压动下限位开关（两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后开始上升直到压动上限位开关后自停（两个工位用一个下限位开关）；接着机械手开始左行直到压动左限位开关后自停。至此一个周期的动作结束，开始下一个周期的运行。在手动方式下按下按钮则机械手开始一个动作，松开按钮则停止该动作。机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且
