1、1 緒論 機器人（ Robot ）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又 可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它 的任務是協(xié)助或取代人類工作，機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機、 材料和仿生學的產物。在工業(yè)的工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作、 醫(yī)學、農業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。 聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程 和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而 具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。 由于機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機 器特

2、長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能 力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義 上說它也是機器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設 備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.1 機器人發(fā)展史 雖然機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的 事。然而人們對機器人的幻想和追求已有近 3000 多年的歷史。人類希望制造一種 像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。 西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早 記載的機器人記載。 春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機械方面

3、也是一位發(fā)明家，據墨經 記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民 的聰明智慧。 公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人一一自動 機。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以 借助蒸汽唱歌。 1800 年前的漢代，大科學家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。 計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。后漢三國時期，蜀 國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。 1773年瑞士鐘表工人杰克道羅斯和他的兒子利路易道羅斯推出自動書 寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪

4、和發(fā)條原理制成的。 由于當時技術條件的限制，這些玩偶身高不足一M,現(xiàn)在保留的最早的機器人是 瑞士怒薩迪爾博物館的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十指可以按動風 琴的琴鍵而演奏音樂供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。 現(xiàn)代機器人的研究始于 20 世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā) 展，以及原子能的開發(fā)利用。自 50 年代誕生以來，目前已風靡全球。據稱，目 前，世界上機器人已達 20 萬，并且每年還在 35的速度遞增。機器人從事的行 業(yè)，也由原來單一的工業(yè)，迅速擴展到農業(yè)、交通運輸業(yè)、商業(yè)、科研等各行各 業(yè)。 1.2 機器人發(fā)展趨勢 國外機器人領域發(fā)展近年來有如下幾個趨勢： （1）工業(yè)機器

5、人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和 維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 103 萬美元降至 97 年 的 6 5 萬美元。 （2）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減 速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整 機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 （3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準 化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高 了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度 等傳感器

6、外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則 采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控 制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 （ 5）虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控 制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 （6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操 作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作 系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰 納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 （7） 機器人化機

7、械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種 新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的機器人發(fā)展在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為 突出的是水下機器人， 6000M 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出 直播遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人等機種；在機器人視覺、力 覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基 礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能 裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距 較大，需要在原有成績的基礎上，有重點

8、地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實 用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.3 機器人的未來 1.3.1 機器人小型化和智能化 目前各國的研究現(xiàn)狀而言，微型機器人大多處于實驗室和原型開發(fā)階段，但 可以預見，將來微型機器人將廣泛出現(xiàn)并得到應用。 現(xiàn)在的智能機器人，它的智力最高只相當于2、3 歲幼兒的智力水平，將來 隨著科技的進步，高智能的機器人會越來越多，其智力也會愈加接近成人水平。 隨著科學技術的進一步發(fā)展創(chuàng)新，如同科幻電影中的機器人將會變成現(xiàn)實， 為人類生活帶來飛躍般的變革 1.4 機械手 1.4.1 工業(yè)機械手的簡介 機械手是模仿著人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和

9、要求能實現(xiàn)自動抓 取、搬運的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手叫做“工業(yè)機械手”。在 實際生產中，應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，可以減輕勞 動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉 塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進行正常的工作，意義 更為重大。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖 壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域 得到了越來越廣泛的應用。 國內外對機器人及機械手所作的定義不盡相同。國際標準化組織 (ISO) 對機器 人的定義 :“機器人是一種能自動定位、可控的可編程

10、的多功能操作機。這類操作 機具有幾個軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置， 以執(zhí)行各種任務。” 美國國家標準(NBS)對機器人的定義：“一種可編程，并在自動化控制下執(zhí)行某 種特定操作和移動作業(yè)任務的機械裝置。”日本工業(yè)機器人協(xié)會對工業(yè)機器人的 定義： “一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動來代替人類勞動 的通用機器。”它又分為以下兩種情況來定義 ：(1) 工業(yè)機器人 ： “一種能執(zhí)行與人 的上肢類似動作的多功能機器 (2) 智能機器人 : “一種具有感覺和識別能力， 并能夠控制自身行為的機器。” 1.4.2 工業(yè)機械手的發(fā)展 工業(yè)機械手是在第 二次 世界 大

11、戰(zhàn) 期間 發(fā)展 起來 的， 始于40年代的美 國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，它是一種主從 型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結 構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系 統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試 制成一臺數控示教再現(xiàn)型機械手，命名為Un imate(即萬能自動)。1962 年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Ver sat ran機械手，原意是靈活搬 運， 可作點位和軌跡控制；該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮， 采用液壓驅動， 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 雖然這兩種機械手出現(xiàn)

12、在六十 年代初， 但都是國 外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 從60年代后期起， 噴漆、 弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1 978年美國Uni mat e公司和斯 坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Uni mat i on-Vi c-arm型工業(yè)機 械手， 裝有小型電子計算機進行控制， 用于裝配作業(yè)， 定位誤差可小于 l mm。 聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手， 主要用于起重運 輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國Kuka公司還生產一種點焊機 械手， 采用關節(jié)式結構和程序控制； 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快， 應用國 家最多的國家， 自 1969年從美國引進兩種典型機械手后， 開

13、始大力從事 機械手的研究， 目前以成為世界上工業(yè)機械手( 機器人) 應用最多的國家 之一。 前蘇聯(lián)自 六十年代開始發(fā)展應用機械手， 主要用于機械化、 自 動化 程序較低、 繁重單調、 有害于健康的輔助性工作。 我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。 1972年我國 第一 臺機械手開發(fā)于上海， 隨之全國 各省都開始研制和應用機械手。 從第七個 五年計劃( 1986- 1990) 開始， 我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中， 有由北京機械自 動化研究所設計制造的噴涂機器人， 廣州機床研究所和北 京機床研究所合作設計制造的點 焊機器人， 沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸 載機器等等。 這些機器人

14、的控制器， 都是由中 國科學院沈陽自 動化研究所 ( SI A) 和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的， 同時一系列的機器人關鍵部 件也被開發(fā)出來， 如機器人專用 軸承， ， 直流伺服電機， 編碼器， 等。 我國的工業(yè)機械手(或第一代機械手) 發(fā)展主要是逐步擴大其應用范 圍；在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，研制出示教式機 械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。可以將機械手各運動構件， 如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便 根據不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構，組裝成各種用途的機械手， 即便于設計制造，又便于更換工件，擴大了應用范圍。 1.4.3 機械手

15、的構成 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件 （或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有 多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動 （擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取 空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參 數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專 用機械手有23個自由度。 1.4.4 機械手的分類和應用 機械手按驅動方式可分為液壓

16、式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用 范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制 和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上 裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操 作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常 稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改 善熱、累等勞動條件。 工業(yè)制造領域：主要讓機器人在機械制造業(yè)中代替人完成大批量、高 質量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產品（電視機、電冰 箱、 洗衣機） 的制造等。

17、 化工等行業(yè)自 動化生產線中的點焊、 弧焊、噴 漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝等工作，也有部分是由 機器 人完成的軍事領域 ：主 要讓 機器 人執(zhí) 行一些自 動的偵察與控制任務， 尤其 是一些相對較為危險的任務，比如，無人偵察機、拆除炸彈的機器人及掃 雷機器人等。 機器人還可以代替士兵去完成那些不太復雜的工程及后勤任 務，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，去從事更加重要的工作娛樂領 域：機器人在娛樂領域的應用十分廣泛，比如，機器人足球大賽、機器人 彈鋼琴和機器人寵物等醫(yī)療領域：機器人主要用來輔助護士進行一些日常 的工作，比如，幫助醫(yī)生運送用藥品及自動監(jiān)測病房內的空氣質量，等 等。宜用

18、機器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術，例如，眼部手 術、腦部手術等。美國還發(fā)明了一種可以進入人體血管的微型機器人，幫 助醫(yī)生在病人的血管內滅殺病毒。 2機械手總體方案的設計 2. 1機械手的工作過程 圖2- 1 機械手示意圖 根據課題設計任務書的要求：機械手初始位置在原點位置，每次循 環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾 緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械 手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉。當光電開關檢測 到物品后，左傳送帶停止運行。 根據分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2-2所示 原位 下降 夾緊 4 上升 右旋 啟

19、 動 左限 停止 左旋 上升 松開 4 下降 * 圖2- 2機械手工作流程圖 2. 2機械手的工作條件 實現(xiàn)要求功能需要如下條件： (1)底座與橫梁之間需要旋轉盤，旋轉盤的驅動由電機來完成，普 通電機轉速較高，需要考慮安裝減速機，在這種頻繁啟動制動的場合 下，選用低速電機會更方便。 (2)橫梁在普通情況下，長度是固定的，如果工作臺不進行調整， 橫梁長度可永遠不變。課題任務也未作橫梁要求，但在實際應用中，可 能出現(xiàn)工作臺距離調整的情況，為增加機械手的通用性，本設計中在橫 梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動按鈕調整橫梁長度。 ( 3) 豎直 方向上是頻繁上 下工 作的 機構 ，可 選用電機傳動的 齒輪

20、齒 條嚙合機構，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術更經濟、環(huán)保、噪音 低，也更符合課題要求。 ( 4) 抓緊機 構 也可 選用 氣動 執(zhí)行 爪和 執(zhí)行 氣缸 并用 組 成氣 動執(zhí) 行模 塊。 (5)光電開關在控制方面是作為輸入量的信號源之一，它可以選擇 模擬輸入和數字輸入，根據課題要求和后面 PLC 的各輸入量的情況，選 用數字輸送式的光電開關更方便簡捷。 2. 3 控制 方案 總 體 設計 機械手實物模型的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機 械部 件組成， 為圓柱坐標型。各動作由步 進電機驅動控制。動 作的先后 順序按照運行中的限位開關、定時器和中間繼電器、開關電源、電磁閥 等電子器件組

21、成，該模型是涵蓋了 PLC 技術，位置控制技術、氣動技術 有機結合成一體的控制儀器。 本設計中采用的機械手，主要結構部分由機械手手臂、步進電機、 工作臺等幾部分組成。機械手手臂、機械手爪的張、合等動作也均由步 進電 機驅動。 水平、垂直采用步進電機控制，底盤的旋轉采用 電動機控 制， 抓取物體 的電磁閥采用氣動形式。步進電機的控制，由對 應的步進 電機驅動器電路完成。機械手主要的作用是完成物料的傳送。 匸G件 AA 如圖所示的機械手示意圖。該機械手的任務是將工件從工作臺A 搬到工作臺 B。為了使動作準確，機械手安裝了限位開關 SQ1, SQ2, SQ5, SQ6,分別對機械手進行下降，上升，右

22、行，左行等動作 的限位，并給出了動作到位的信號。SQ3, SQ4為原點位置和終點位置的 光接近開關。 3 可 編 程 控 制 器 p l c 3. 1 PLC 的 應 用與 發(fā) 展 可 編 程 控 制 器 ( Pr ogr ammabl e Logi c Cont r ol l er ) 是 以 微 處 理器為核心的工業(yè)自動控制通用裝置。早期的可編程控制器主要用來代 替繼 電器 實現(xiàn) 邏 輯控 制， 稱可 編程 邏輯 控制 器( Pr ogr ammabl e Logi c Cont r ol l er )， 簡 稱 PLC。 隨 著 技術 的發(fā) 展 ，這 種 裝 置的 功能 已 經大 大超過

23、了邏輯控制的范圍，不僅具有邏輯控制功能，而且還能實現(xiàn)數據 運算、數據傳輸和處理等功能，使其真正成為一種電子計算機工業(yè)控制 設 備 ， 因 此 ，今 天這 種裝 置 稱 作 可編 程序 控制 器 ， 簡 稱 PC。 但 是 為了 避 免 與 個 人 計算 機 ( Per s onal Comput er )的 簡 稱 PC 混 淆 ， 所 以仍 將可 編程 序控 制器 簡 稱 PLC。 1987 年 ， 國 際電 工委 員會 ( I EC) 頒布 了新 的 PLC 標準 及 其標 準定 義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境 而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存

24、儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字模式或模擬 模式的輸入、輸出，控制各種類型的機械或生產過程。而有關外圍設 備，都應按照易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設 計”。PLC就是使用一系列指令構成的程序來操作、控制相關工業(yè)控制 機 械 ， 使 其 形 成 一 個 完 整 的 工 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) ， 以 完 成 各 種 各 樣 的 控 制 功 能。 3. 1. 1 PLC 的 功能 特點 及 發(fā) 展趨 勢 PLC 的 功能 和特 點: PLC 的 初期 由于 價格 高于 繼 電 器 控 制 裝置 ，使 其應 用 受 到 限制 。 但 近年 來 由

25、 于微 處理 器 芯片 及有 關 元 件價 格大 大下 降， 使 PLC 成 本下 降， 同時 PLC 的 功 能大 大 增強 ，使 PLC 的 應 用 越 來 越 廣泛 ，廣 泛 應用 于鋼 鐵、 水泥 、 化 工 、 機 械 制 造、 汽 車 、 環(huán) 保 等 行 業(yè) 。 其 應 用 通 常 分為 五種 類型： 1. 順 序 控 制 這是 PLC 應用 最 廣 泛的 領 域， 用 以 取 代 傳統(tǒng) 的 繼電 器順 序 控 制 。 PLC 可應 用 于單 機控 制 ， 多機 群控 ，生 產自 動線 控 制 等 。 2. 運 動 控 制 PLC 制 造 商目 前已 提供 了拖 動步 進電 機或

26、伺服 電 機的 單軸 或多 軸位 置控 制 塊。 PLC 把 描述 目標 位置 的 數 據送 給模 塊， 其 輸出 移動 軸到目標位置。 3. 數 據處理 在機械加工中，出現(xiàn)了把 支持順序的 PLC 和計 算機數值 控制 設備 （CNC） 緊密 結合 的趨 向。 著名 的日 本 FANUC 公司 生產的 系列 產品 已將 CNC 控制 功 能作 為 PLC 的 一部 分， 該公 司采 用了 窗口軟 件， 用戶可以獨自編程。 4. 通信和聯(lián)網 為了適應國外近幾年來興起的工廠自動化（FA）系 統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展PLC之間以及和上 級計算機之間的通信功能。 PLC 的

27、特點 ： 1. 抗干擾能力強， 可靠性高 2. 控制系統(tǒng)結構簡單， 通用性強， 應用靈活 3. 編程方便， 易 于使用 4. 控制系統(tǒng)設計、 安裝、 調試、 維修方便 5. 豐富的I/O接口，功能完善，擴展能力強 發(fā)展趨勢： 目前， PLC 技術發(fā)展的總體趨勢是系列化、 通用化和高性能化， 主 要表現(xiàn)在以下方面： 1）在系統(tǒng)構成規(guī)模上向大小兩個方向發(fā)展 發(fā)展小型（超小型） 化、 專業(yè)化、 模塊化、 低成本、 高性能 PLC， 以真正代替最小的繼電器控制系統(tǒng)；發(fā)展大容量、 高速度（超高速） 、 多功能、 高性價比的 PLC， 已滿足現(xiàn)代企業(yè)中那些大規(guī)模、 復雜系統(tǒng)自 動化的需要。 2）功能不斷增

28、強， 各種應用模塊不斷推出 大力加強過程控制和數據處理功能， 提高組網和通信能力， 開發(fā)多 種高性能模塊， 以使各種模塊的自動控制系統(tǒng)更加強大、 更加可靠、 組 成和維護更加靈活方便，使PLC的應用更加廣泛。 3）產品更加規(guī)范化、 標準化 PLC 廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、 豐富多樣、 功能提高的同 時，日益向MAP （制造自動化協(xié)議）靠攏，并使PLC基本部件，如輸入 輸出模塊、 聯(lián)網通信模塊、 接線端子、 通信協(xié)議、 編程語言和工具方面 的技術規(guī)格規(guī)范化、 標準化， 使不同的產品間能夠相互的兼容、 易于組 網， 以方便用戶， 擴大產品的應用領域。 3. 2 PLC的結構和工作原理 3.

29、 2. 1 PLC的結構 按PLC的物理結構形式可以分為整體式和組合式結構。PLC控制 系統(tǒng)是由輸入部分、輸出部分和控制邏輯三部分組成。其基本結構由微 處理器、存儲器、輸入輸出接口、電源、擴展接口、通信接口、編程工 具和智能I/O接口等組成。PLC的基本結構如下圖3- 1所示. 微處理器又稱為中央處理器，簡稱CPU,它是PLC的核心，由控制電 路、運算器和存儲器等組成。存儲器用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏 輯變量和其他信息。輸入/輸出接口是PLC與外界連接的接口，用來采 集和接受數字量和模擬量。 PLC 現(xiàn)場輸入信號 輸入接口 接口 存儲器 輸出接口 A 輸出狀態(tài)寄存器 輸入狀態(tài)寄存器 現(xiàn)場執(zhí)

30、行機構 外部編程器/PC 圖3- 1 PLC的結構圖 3. 2. 2 PLC的工作原理 PLC是依靠執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制要求的，使PLC進行邏輯運 算、數據處理、輸入和輸出步驟的助記符為指令，實現(xiàn)某一控制要求的 指令的集合稱為程序。PLC在執(zhí)行程序時，首先逐條執(zhí)行程序的命令， 把輸入繼電器的狀態(tài)值存放于輸入映像寄存器中，在執(zhí)行程序過程中把 每次運行的結果的狀態(tài)存放于元件映像寄存器中。 PL C采用的是循環(huán)掃描的方式工作，從一條指令開始，在無中斷 或跳轉控制的情況下，按程序存儲的地址號遞增的順序逐條執(zhí)行程序， 直到程序結束。然后再從頭開始掃描，并周而復始地重復進行。它包括 五個階段：內部處理、

31、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。 PLC完成一次掃描過程的時間稱為掃描周期。掃描周期的長短與用戶程 序的長度和掃描速度有關。 3. 3PLC的選擇 3. 3. 1 PLC的選型 德國西門子公司生產的(SI MATI C) S7- 200系列PLC適用于各行 各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7- 200系列的強大 功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。 S7- 200系列具有極高的性能/價格比。該系列PLC由基本單元， I/O擴展單元，功能單元和外部設備組成，其基本單元的結構形式為整 體式。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性；極豐富

32、的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內置集成功能；豐富的擴展 模塊。 S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供使用。 有 CPU21X 和 CPU22X 兩代 產品，其中 CPU22X 型 PLC 有 CPU221,CPU222,CPU224和 CPU226四種型號。CPU單元設計集成 的24 V負載電源，可直接連接到傳感器和變送器(執(zhí)行器)。4種 CPU各有晶體管輸出和8繼電器輸出兩種類型，具有不同電源電壓和 控制電壓。 本設計中采用西門子S7-200系列中的CPU226的PLC，外加輸出 擴展口。CPU集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，可連接擴展 模塊。

33、3. 3. 2 圖3- 2操作控制面板圖 腳d_j IT” LrdJd5LGLGd2d2 尤不 緘g哥麗帀mgloM啓 10.0 Q0.0 104 ID.2 Q0.1 , 10.3 10.4 Qu.c . 10.5 10啟 1】3 Q0.3 . 11.4 11.5 Q04 , 11.6 I&.0 12.1 Q0.5 12.2 12.3 Q0.6 12.4 12.5 + 上升鱗用 1 圖3-3控制系統(tǒng)外部I/O接線圖 3. 3. 3 PLC I / O地址、內部輔助繼電器的分配表 根據控制系統(tǒng)外部I/O接線圖，PLC I/O地址分配見表3-4 表3- 4外部I/O繼電器分配表 序號 符號 功能描

34、述 序號 符號 功能描述 1 I 0. 0 啟動 1 4 I 1. 5 右移 2 I 0. 1 下限 1 5 I 1. 6 停止 3 I 0. 2 上限 1 6 I 2. 0 左移 4 I 0. 3 右限 1 7 I I 2 .1 夾緊 5 I 0. 4 左限 1 8 I 2. 2 放松 6 I 0. 5 原點光電開關 1 9 I 2. 3 復位 7 I 0. 6 終點光電開關 2 0 I 2. 4 逆時針旋轉 8 I 0. 7 手動 2 1 I 2. 5 順時針旋轉 9 I 1. 0 單步 2 2 Q0. 0 下降 1 0 I 1. 1 單周 2 3 Q0. 1 夾緊 1 1 I 1. 2

35、連續(xù) 2 4 Q0. 2 上升 1 2 I 1. 3 下降 2 5 Q0. 3 右移 1 3 I 1. 4 上升 2 6 Q0. 4 左移 2 7 QO. 5 逆時針旋轉 2 8 Q0. 6 順時針旋轉 4 PLC控制系統(tǒng)程序設計 上圖是控制系統(tǒng)流程圖。 4. 1整體設計 為編程結構簡介，明了，把手動程序編成相對獨立子程序模塊，通過調 用指令進行功能選擇。當工作方式選擇開關選擇手動工作方式時，10.7 接通，執(zhí)行手動工作程序；當工作方式選擇開關選擇自動方式（單步、 單周、連續(xù)）時，I 1. 0, I 1. 1, I 1. 2分別接通，執(zhí)行自動控制程序。整 體設計的梯形圖（主程序）如圖4- 1所

36、示。 圖4-1主程序梯形圖 4. 2手動控制程序 手動操作不需要按工序順序動作，可以按普通繼電接觸器控制系統(tǒng) 來設計。手動控制的梯形圖見圖4- 2。 手動按鈕 11. 3,11. 4, I 1. 5,12. 0,12. 1,12. 2, I 2. 4, I 2. 5 分別控 制下降，上升，右移，左移，夾緊，放松，逆時針旋轉，順時針旋轉各 個動作。為了保持系統(tǒng)的安全運行，設置了一些必要的聯(lián)鎖保護，其中 在左右移動和旋轉運動的控制環(huán)節(jié)中加入了 10.2作上限聯(lián)鎖。因為機 械手只有處于上限位置（10.2 = 1）時，才允許左右運動和旋轉運動。 由于夾緊放松動作選用單線圈雙位電磁閥控制，故在梯形圖中用

37、 “置位”，“復位”指令來控制，該指令具有保持功能，并且也設置了 機械聯(lián)鎖。只有當機械手處于下限（10. 1=1）時，才能進行夾緊和放 松動作。 測略3 舉轉便利 ED.2煜.4鈾鈾.5 圖4-2手動控制梯形圖 機械手在最上面、最右邊，底盤轉至光接近開關并且夾緊位置松開 時稱為系統(tǒng)處于原點狀態(tài)。 4. 3輸出顯示程序 機械手的運動包括上升，下降，左行，右行，夾緊，放松，順時針 旋轉，逆時針旋轉，在控制程序中M1. 1 , M1. 6分別控制下降，M1. 2控 制夾緊，M1. 7控制放松，M1. 3, M2. 0控制上升，M1. 5, M2. 1控制左 右移動，M2. 2, M1. 4控制順逆時

38、針旋轉運動，M1. 0是原位，可以設 計出梯形圖如圖4- 3所示。 圖4-3輸出梯形圖 結論 幾周的畢業(yè)設計，使我深深的感受到畢業(yè)設計對即將畢業(yè)的大學生 的重要性，它是大學生大學期間對所學知識的濃縮和精華。 在這期間，我整上午都在圖書館里查閱資料和搜集信息，忙碌而又 充實，下午則整理和編寫畢業(yè)設計，我從資料的收集中，掌握了很多 PL C 知 識， 讓我 對我 所 學過 的知 識有 所鞏 固和 提高 。在 整個 過程中 ，我 學到了新知識，增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自 己，爭取在所學領域有所作為。 本畢業(yè) 論文研究了機械 手 PLC 的控制，分析機械手的運 行過程的 基礎上，

39、研究機械手的控制，設計了機械手控制系統(tǒng)，可以使學生們容 易得掌 握 PLC 的有關知識和用法 ，培養(yǎng)學生機械等理論 知識，掌握 PLC 控制的基礎知識，掌握 程序的閱讀和編寫，掌握獨 立分析的能力， 解決生產實際問題的能力。通過這次畢業(yè)設計，我受益匪淺，不僅鞏固 和提高了自已的專業(yè)知識，而且增長了見識，開闊了視野。 致謝 為期兩個月的畢業(yè)設計終于接近尾聲了，在這短短的幾個月里，我 學習了自動化控制的內容，綜合大學相關專業(yè)的知識，包括計算機的使 用，更重要的是把自己從老師從課本里所了解的東西應用到實踐應用 中，檢驗了自己的能力。在做畢業(yè)設計的過程中，我查閱了圖書館的資 料， 有關 于機 械手 應 用和 PLC 的 編程 以及 機器 人的 發(fā)展 狀況 ， 我了 解了 更多的關于自動化控制的相關知識。 最后特別感謝指導老師楊老師的在本次畢業(yè)設計過程中悉心指導， 王老師工作認真負責的態(tài)度，治學嚴謹的作風給我留下了深刻的印象。 在編程實現(xiàn)階段同學們的細心幫助與指導也讓我受益匪淺。在我三年的 大學生活中，得到了老師們的悉心教導，學到了豐富的知識和做人的道 理