机电一体化专业毕业论文

毕业论文

题目名称：机械手控制

系部名称：机电工程系

班 级：机电一体化二班

学 号：0000

学生姓名：XX

指导教师：XX

2011年 11月

郑州经贸职业学院机电系毕业论文

机械手控制

摘 要

生产技术和生产力的高速发展，要求现代化企业必须有更高的生产效率，更高的自动化程度及其安全可靠性。机械手可以实现多工步的自动换装，使用可靠安全，通过程序更换就可以实现功能升级。机械手在扩大生产范围，缩短新产品的试制周期，加速产品的更新换代，降低成本和减轻工人劳动强度起到重要作用。 由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

关键词： 工业自动化; 机械化; FMS; FMC; 机械手研究开发

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目 录

摘 要 . ..................................................................................................... I

一、 机械手发展经历及主要构成 . ............................................................ 1

（一）发展历史 . ...................................................................................... 1

（二）构成部分 . ...................................................................................... 1

（三）机械手分类 . .................................................................................. 1

（四）多关节机械手的优势 . .................................................................. 2

（五）机械手发展大事记 . ...................................................................... 2

二、西门子公司及S7-200主要参数功能介绍 . ........................................ 2

（一）适用范围 . ...................................................................................... 2

（二）模拟电位器 . .................................................................................. 3

（三）脉冲输出 . ...................................................................................... 3

（四）电池模块 . ...................................................................................... 3

（五）各型号的优点 . .............................................................................. 3

三、机械手设计要求及功能 . ...................................................................... 4

（一） 控制要求 . .................................................................................... 4

（二） 机械手运行方式 . ........................................................................ 4

1. 调整工作方式 . ................................................................................ 4

2. 连续工作方式 . ................................................................................ 4

3. 单周工作方式 . ................................................................................ 4

4. 步进工作方式 . ................................................................................ 5

（三）程序设计要点 . .............................................................................. 5

（四）程序结构框图 . .............................................................................. 5

四、基于S7-200的机械手PLC 控制程序 . ................................................ 6

五、分析该设计优缺点 . .............................................................................. 6

致谢 ............................................................................................................... 7

参考资料 . ...................................................................................................... 8

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2～3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。

（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。

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（四）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。

（五）机械手发展大事记

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。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。

（二）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。

（四）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248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

移动，模拟界面的右侧为按控制要求设计的操作台。 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

（一）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。

（二）机械手运行方式

1. 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。

2. 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。

3. 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。按下急停按

钮，系统立即停车。

4. 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。

（三）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①～⑧的运行状态。编程过程中，需要注意特别处理的问题是①、⑤和③、⑦步的动作问题，虽然①、⑤步都是下降操作，但却具有不同的意义，①步下降是空钩下降，而⑤步下降则是夹着工件下降。③、⑦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

四、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，但程序数量长于前一种方法。

致谢

岁月如梭，如歌。转眼间，三年的大学求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。郑州经贸职业学院以其优良的学习风气、 严谨的科研氛围教我求学，以其博大包容的情怀胸襟、浪漫充实的校园生活育我成人。值此毕业论文完成之际， 我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。本论文是在讲师XX 老师的悉心指导之下完成的。三年来，老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实 无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。老师不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却赋予我终生受益无穷之道。本论文从选题到完成，几易其稿，每一步都是在XX 老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血，在此我向我的老师XX 表示深切的谢意与祝福！本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要感谢XX 等各位老师在论文开题、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见，感谢机电工程系为本论文提供的数据和建议，还要感谢同门的师兄师妹们，在论文创作过程中给我以许多鼓励和帮助。回想整个论文的写作过程，虽有不易， 却让我除却浮躁，经历了思考和启示，也更加深切地体会了坚持的精髓和意义， 因此倍感珍惜。

最后，再次感谢所有关心和支持我的同学们和老师们！

郑州经贸职业学院机电系毕业论文

参考资料

[1] 林伟. 典型机电一体化系统及应用[M] 高等教育出版社

[2] 陈远玲、黎亚元、富国强 机床电气自动控制[M] 重庆大学出版社

[3] 王承义 机械手及其应用[M] 机械工业出版社

[4] 王建明 自动线与工业机械手技术[M] 天津大学出版社 [5] 杨后川、高建设 西门子S7-200PLC 应用100例[M] 电子工业出版社 [6] 肖峰、贺哲荣 PLC编程100例[M] 中国电力出版社

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