1、石河子大学毕业设计文献综述题目： 机械手的自动化控制系统的 PLC实现方法研究软件部分 学 院： 机械电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 2002071104 姓 名： 冯 永 涛 指导教师： 张晓海 完成日期： 2006 年 5月 31日 文献综述摘要：在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、
2、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由 PLC 输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给 PLC 主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给 PLC 主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。关键字：可编程控制器 PLC；机械
3、手；脉冲；步进电机驱动器；步进电机；直流电机；传感器、限位开关。正文：一、 机械手的发展状况介绍 机械手的发展现状和趋势机器人（又称机械手，机械人，英文名称：Robot）的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械手、机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手术机械，生命监测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机器人的战
4、争。至于工业、农业、遗传生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机器人的大量登场而出现产业革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机器人的。毋庸置疑，未来的机器人正朝着三个方面发展： 1、与人类社会的生活更为密切地结合起来，以为人作出更多的服务作为要素 二十年后，家中扫除、清洁的工作或老人的护理保健的工作可能全由机器人取代。美国旧金山的医院已开始使用机器人为病人送药、配药的服务。美国的阿伊机器人公司的总裁接受媒体采访时表示，该公司生产的家用大扫除机器人产品，2002 年只有一百二
5、十万美元销售额，到 2004年已猛增 10倍以上。还有，家居的全自动化，无需驾驶的自动汽车，等等，实在无法一一计数或作出预计。 2、仿生性，生物性的大趋向以趣味性、生物性来制造机器狗、猫、鱼等动物。譬如索尼公司研制的 Aibo 机器狗会对主人声音有情绪反应，已能够模仿喜怒哀乐和恐惧等情绪，将来可出现代替真正导盲犬的机器狗。另外，电影侏罗纪公园的恐龙机器人等也是例子。这类仿生性机器人还被广泛用于军事上的侦察救险、情报传送，甚至杀敌于无形的手段上去。美国夏威夷大学设有水下机器人研究中心，已具相当规模。今年八月初俄罗斯迷你潜艇在海底为渔网所缠，困于 190 米下的深海，就得助于英国的“天蝎” 号救援
6、艇之助而脱险的， “天蝎 ”号就是海底机器人。3、最重要的发展是人性化 今年三月至九月于日本爱知举行的万国博览会，被称为机器人的大集合之展览会，有人甚至将之称作“机器人万国博览会”，从中亦可看出日本的这一产业优势及成果。在展场中，接待处、大会清扫工作、警备工作等，多以机器人的形式出现与取替。博览会期间还举办多项人与机器人有关的活动，其中最引人注目的还是人工智能及人性化的机器人的表演，譬如接待处的一位女性机器人能听、说六国语言，而且说话时眼、嘴皆会动，面部肌肉也有活动。在世纪之交，生物遗传工程因“克隆人”的出现而引致伦理、法律及道德问题的争议，“克隆人”能否问世仍然是一个未知数，但机器人的研发正
7、在取而代之，以越接近人性化为追寻目标。因而还为之出现了新的名词，比如人工智能（Artificial Intelligence，简称 AI），并以下述二个英文名字用来指人类模样的机器人：androids 和 humanoids。西方的电影导演在谈到影视中出现的非常人性化的机器人时，更常常使用这些有明确倾向的专用词： A、变得人性化humanize(v.) B、人性化的humanized(adj.) C、人道、仁慈humanity(n.) 目前研究热点及发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下 10个方面：1工业机器
8、人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。2机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。3多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。4机器人的结构灵巧，
9、控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。5机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。6虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。7多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。8微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和
10、重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。9软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。10仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。二、 PLC
11、 在国内外的发展现状介绍可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）即 PLC，自从在 1969 第一台可编程控制器在美国面世以来，经过 30 多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最为广泛的工业控制微型计算机。在 PLC 中，充分应用了大规模集成电路技术、微电子技术及同学技术，迅速的从早期的逻辑控制发展到进入位置控制、伺服控制、过程控制等领域。用可编程控制器已经可以构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集与控制、图形工作站等的综合控制系统。现在已经成为机电控制领域不可缺少的核心控制部件。PLC 发展的重点1、人机界面更加友好PLC 制造商纷
12、纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数 PLC 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC 网络IPC CRT 的模式被广泛应用。2、网络通讯能力大大加强PLC 厂家在原来 CPU 模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔 AB 公司主推的三层网络结构体系，即 EtherNet、Contro
13、lNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP 及 Profibus-FMS 网络等。3、开放性和互操作性大大发展PLC 在发展过程中，各 PLC 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映：1）IEC 形成了现场总线标准，这一标准包含 8 种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与
14、之相应的新产品。2）IEC 制订了基于 Windows 的编程语言标准 IEC61131-3，它规定了指令表（IL） 、梯形图（LD ） 、顺序功能图（SFC） 、功能块图（FBD ） 、结构化文本（ST ）五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然 PLC 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。3）OPC 基金会推出了 OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过 OPC 一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，
15、多数 PLC 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了 OPC 功能。OPC 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向 FCS 技术发展的趋势。4、PLC 的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC 的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC 均有成功能应用，PLC 在相当多的应用取代了昂贵的 DCS，从而使原来 PLC（顺序控制）DCS （过程控制）的模式变成 PLCIPC 模式。5、工业以太网的发展对 PLC 有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本
16、非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于 1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各 PLC 厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电
17、子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。参考文献：1 钟肇新、彭侃 编译 可编程控制器原理及应用 第二版 广州：华南理大学出版社，2003.52 钟肇新，范建东主编. 可编程控制器原理及应用. 第三版. 广州：华南理大学出版社，2003.53 求是科技编著 PLC 应用开发技术与工程实践 北京 人民邮电出版社，2005.14 郝海青. 串联关节式机械手的控制系统分析与设计. 万方数据库硕博士论文，
18、20025 FP0可编程序控制器使用手册. 天津：天津职业技术师范学院源峰科技发展有限公司6 TVT99系列教学实物模型使用说明书. 天津： 天津职业技术师范学院源峰科技发展有限公司7 常晓玲主编 . 电气控制系统与可编程控制器 北京 机械工业出版社 20048 李乃夫主编. 可编程控制器原理、应用、实验. 北京：中国轻工业出版社，20039 杨存智 .PLC 在自动化生产机械手中的应用 机床电器2006 年 33 卷 1 期起止页码：38-4010 吴翠琴. 机械手驱动控制系统的研究仪器仪表用户 2006 年 13 卷 1 期起止页码：1-211 http:/ http:/ http:/www.e- 年 月 日备注：
