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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 学 号：12612201015999 学生姓名：赵海存 指导教师：
2015年 5月
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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
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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
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机电一体化专业毕业论文(7)
