畢業論文:機電一體化畢業論文

畢業論文：機電一體化畢業論文

機電一體化技術

摘 要

生產技術和生產力的高速發展，要求現代化企業必須有更高的生產效率，更

高的自動化程度及其安全可靠性。機械手可以實現多工步的自動換裝，使用可靠

安全，通過程序更換就可以實現功能升級。機械手在擴大生產范圍，縮短新產品

的試制周期，加速產品的更新換代，降低成本和減輕工人勞動強度起到重要作用。

由于工業自動化的全面發展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在

眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業自動化的要求，因此，必須利用先進設備

生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業自動化的需求。其中機械手是其發展

過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強

度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行

業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、

裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發

展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備

和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送

裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業機械手技術及其工程應用

的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平低，機械手的研究和開

發直接影響到我國機械行業自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是

十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。

關鍵詞： 工業自動化; 機械化; FMS; FMC; 機械手研究開發

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目錄

摘 要 .......................................................................................................

一、 機械手發展經歷及主要構成 ...............................................................

（一）發展歷史 .........................................................................................

（二）構成部分 .........................................................................................

（三）機械手分類 .....................................................................................

（四）多關節機械手的優勢 .....................................................................

（五）機械手發展大事記 .........................................................................

二、西門子公司及S7-200主要參數功能介紹 ...........................................

（一）適用范圍 .........................................................................................

（二）模擬電位器 .....................................................................................

（三）脈沖輸出 .........................................................................................

（四）電池模塊 .........................................................................................

（五）各型號的優點 .................................................................................

三、機械手設計要求及功能 .........................................................................

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

（二） 機械手運行方式 ...........................................................................

1. 調整工作方式 ...................................................................................

2. 連續工作方式 ...................................................................................

3. 單周工作方式 ...................................................................................

4. 步進工作方式 ...................................................................................

（三）程序設計要點 .................................................................................

（四）程序結構框圖 .................................................................................

四、基于S7-200的機械手PLC控制程序 ...................................................

五、分析該設計優缺點 .................................................................................

致謝 .................................................................................................................

參考資料 .........................................................................................................

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機械手控制

一、 機械手發展經歷及主要構成

機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操

作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現的工業機器人，也是最早出現的現代

機器人。

（一）發展歷史

機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器

人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節，利

用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的

示教再現機器人。現有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯合

控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產品最早的實用機型（示

教再現）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推

出的“UNIMATE”。這些工業機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁

重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因

而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

(二）構成部分

機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。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規定的動作，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2～3個自由度。控制系統是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來

完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩定的閉環控制。控制系統的

核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現所要功能。

（三）機械手分類

機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、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

位控制和連續軌跡控制機械手等。

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（四）多關節機械手的優勢

多關節機械手的優點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機

座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產的需要，

對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。多關節手

臂也突破了傳統的概念，其關節數量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不

局限于像人的手臂，而根據不同的場合有所變化，多關節手臂的優良性能是單關

節機械手所不能比擬的。

（五）機械手發展大事記

1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。（電磁鐵工件抓放機構）

1962年，美國聯合控制公司試制成一臺數控示教再現型機械手。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種

Unimate-Vicarm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，

定位誤差小于±1毫米。

聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。

二、西門子公司及S7-200主要參數功能介紹

西門子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI）是世界最大的機電類公

司之一，1847年由維爾納·馮·西門子建立。如今，它的國際總部位于德國慕尼黑。

西門子股份公司是在法蘭克福證券交易所和紐約證券交易所上市的公司。2005

年，西門子全集團在190個國家和地區雇用員工460,800人，全球收入為754.45億

歐元（2004年為702.37億歐元），稅后利潤較2004年的36.6億歐元降至24.2億歐元。

西門子是一家大型國際公司，其業務遍及全球190多個國家，在全世界擁有大約

600家工廠、研發中心和銷售辦事處。公司的業務主要集中于6大領域：信息和

通訊、自動化和控制、電力、交通、醫療系統和照明。西門子的全球業務運營分

別由13個業務集團負責，其中包括西門子財務服務有限公司和西門子房地資產

管理集團。此外，西門子還擁有兩家合資企業——博士－西門子家用電器集團和

富士通計算機（控股）公司。

S7-200 是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業，各種場合中的檢測、

監測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連

成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。

（一）適用范圍

S7-200系列在集散自動化系統中充分發揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代

繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動

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檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民

用設施、環境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，

中央空調，電梯控制，運動系統。

S7-200系列PLC可提供4個不同的基本型號的8種CPU供您使用。

（二）模擬電位器

CPU221/222 1個

CPU224/224XP/226 2個

（三）脈沖輸出

2路高頻率脈沖輸出（最大20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現定位任

務。

（四）電池模塊

用于長時間數據后備。用戶數據（如標志位狀態，數據塊，定時器，計數器）可

通過內部的超級電容存貯大約5天。選用電池模塊能延長存貯時間到200天（10

年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。

（五）各型號的優點

CPU221

本機集成6輸入/4輸出共10個數字量I/O點。無I/O擴展能力。6K字節程序和

數據存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出。

1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能

力。非常適合于小點數控制的微型控制器。

CPU222

本機集成8輸入/6輸出共14個數字量I/O點。可連接2個擴展模塊。6K字節程

序和數據存儲空間。4個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖

輸出。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式

通訊能力。非常適合于小點數控制的微型控制器。

CPU224

本機集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊，最大擴

展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O 點。13K字節程序和數據存儲空間。

6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制

器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通

訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。

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CPU224XP

本機集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最

大擴展至248路數字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節程序和數據存儲

空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有

PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由

方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統，具

有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內

部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統。

三、機械手設計要求及功能

機械手模擬控制窗口如圖所示。圖中機械手可抓緊、放送工件，可上下、左右移動，

模擬界面的右側為按控制要求設計的操作臺。

（一）控制要求

機械手設有調整、連續、單周及步進四種工作方式，工作時要首先選擇工作方式，然后

操作對應按鈕。

（二）機械手運行方式

1.調整工作方式

可按相應按鈕實現左移、右移、上移、下移、加緊、放松各個動作的單獨調整。

2.連續工作方式

按下起動按鈕，機械手按下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的順序周

而復始的連續工作；按下停止按鈕，機械手將自動結束本周期的工作，回到原位后停止。按

下急停按鈕，系統立即停車。

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3.單周工作方式

按下起動按鈕后，機械手按下降→加緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移的順序自動

工作一個周期停止。若要再工作一個周期，可再次按下起動按鈕。按下停止按鈕，機械手將

自動結束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按鈕，系統立即停車。

4.步進工作方式

每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。按下急停按鈕，系統立即停車。

（三）程序設計要點

由機械手的工作過程可知，這是一個典型的順序控制系統。為此，可從機械手的連續

工作方式入手編寫程序。首先應繪出連續工作時的功能表圖，然后直接列寫邏輯表達式，

用觸點線圈指令編程，也可使用置位復位指令或順序控制繼電器指令來完成。為了將每一

步的工作狀態顯示出來，動畫模擬軟件使用了內部存儲器位M51、M52、M53、M54、

M55、M56、M57、M40、M41來分別表示①～⑧的運行狀態。編程過程中，需要注意特

別處理的問題是①、⑤和③、⑦步的動作問題，雖然①、⑤步都是下降操作，但卻具有不

同的意義，①步下降是空鉤下降，而⑤步下降則是夾著工件下降。③、⑦步的上升操作也

是這樣。

單周期操作的程序實現可在連續工作程序的基礎上通過經驗修改實現。其要點是是設

法阻止機械手在一個周期工作結束后自動進入下一周期，一般在下降的啟動回路想辦法。

單步操作的實現與單周期工作的實現是相似的。即設法在每一步工作結束后，不是直

接啟動下一步的工作，而是等待啟動按鈕的命令后再工作。

（四）程序結構框圖

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圖3.4.1

四、分析該設計優缺點

該設計方式初步滿足了設計要求，實驗證明能夠按照設定的工作方式穩定運行。以上是在同

一個順序控制程序中完成的連續工作、單周期工作和單步工作的程序編制思路，實際上也可

以采用分段跳轉的辦法來完成這三種操作。這種方法編制的程序結構清晰，但程序數量長于

前一種方法。

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致謝

歲月如梭，如歌。轉眼間，三年的大學求學生活即將結束，站在畢業的門檻上，

回首往昔，奮斗和辛勞成為絲絲的記憶，甜美與歡笑也都塵埃落定。鄭州經貿職

業學院以其優良的學習風氣、 嚴謹的科研氛圍教我求學，以其博大包容的情懷

胸襟、浪漫充實的校園生活育我成人。值此畢業論文完成之際， 我謹向所有關

心、愛護、幫助我的人們表示最誠摯的感謝與最美好的祝愿。本論文是在講師

XX老師的悉心指導之下完成的。三年來，老師淵博的專業知識，嚴謹的治學態

度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，樸實 無華、平易近人的人格

魅力對我影響深遠。老師不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻賦予我

終生受益無窮之道。本論文從選題到完成，幾易其稿，每一步都是在XX老師的

指導下完成的，傾注了老師大量的心血，在此我向我的老師XX表示深切的謝意

與祝福！本論文的完成也離不開其他各位老師、同學和朋友的關心與幫助。在此

也要感謝XX等各位老師在論文開題、初稿、預答辯期間所提出的寶貴意見，感

謝機電工程系為本論文提供的數據和建議，還要感謝同門的師兄師妹們，在論文

創作過程中給我以許多鼓勵和幫助。回想整個論文的寫作過程，雖有不易， 卻

讓我除卻浮躁，經歷了思考和啟示，也更加深切地體會了堅持的精髓和意義， 因

此倍感珍惜。

最后，再次感謝所有關心和支持我的同學們和老師們！

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參考資料

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[2]陳遠玲、黎亞元、富國強 機床電氣自動控制[M] 重慶大學出版社

[3]王承義 機械手及其應用[M] 機械工業出版社

[4]王建明 自動線與工業機械手技術[M] 天津大學出版社

[5]楊后川、高建設 西門子S7-200PLC應用100例[M] 電子工業出版社

[6]肖峰、賀哲榮 PLC編程100例[M] 中國電力出版社

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