智能码垛机械手控制系统设计.docx

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智能码垛机械手控制系统设计

摘要

自21世纪以来，作为高科技前沿技术之一的机械手技术发展迅猛，广泛应用于各行各业，工业上运用机械手主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂危险枯燥的作业。

智能机械手技术是综合了计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，其应用情况标志着一个国家高科技水平和工业自动化的发展程度。

本设计采用的是电气控制，智能码垛机械手基于PLC（ProgrammablelogicController，简称PLC）的控制系统设计。

本设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成，其中硬件设计包括主电路、控制电路以及电气控制线路的设计，软件设计包括流程图和梯形图的设计。

主电路由伺服电机、热继电器、熔断器、接触器构成；控制电路由PLC控制器、传感器、驱动器等构成，并且在控制中加入智能算法，运用反馈闭环控制使码垛机械手更加精确运行。

在设计中由传感器光电传感器等将位置、力度信号传给PLC主机，PLC通过控制各个驱动器实现电机的正反转，从而控制机械手的左右、伸缩运动，及手爪对物件的抓放。

动作灵活多样，并可根据工作环境变化及运动流程要求随时更改相关参数。

最后，借助于智能控制理论，对码垛机器人手臂的运行位置进行了智能优化。

在基于S7-200PLC为核心技术进行研发其控制系统指令表程序并调试，形成手动、全周期半周期及单步控制方式，对越来越广泛应用的“机-电”形成的自动化控制装置进行研究与推广。

关键词：

智能机械手；传感器；驱动器；智能算法；PLC控制

Abstract

Sincethe21stcentury,asoneofthehigh-techcutting-edgetechnologyofthemanipulatortechnologydevelopingrapidly,iswidelyusedineachWalksoflife,Industrialuseofrobotsmainlyforwelding,assemblinghandling,processing,spraying,palletandothercomplexdangerousboringjob.Intelligentmanipulatorisacombinationofcomputertechnology,controltheory,organizationlearning,informationandsensingtechnology,artificialintelligence,bionicsandother-disciplinaryandformationofthenewandhightechnology,itsapplicationmarksanationalhigh-techlevelandthedevelopmentofindustrialautomationdegree.Electricalcontrolareintroducedinthispaper,intelligentstackingmanipulatorbasedonPLC（ProgrammablelogicController,hereinafterreferredtoasPLC）controlsystemdesign.

Thisdesignismainlycomposedofhardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts，thehardwaredesignincludingmaincircuit,controlcircuitandthedesignofelectricalcontrolcircuit,softwaredesignincludingthedesignoftheflowdiagramandladderdiagram.Maincircuit,thermalrelay,fuse,aservomotorcontractor；ControlcircuitbyPLCcontroller,sensors,drives,andtravelswitch,etc.Andjoininthecontrolofintelligentalgorithm,usingthefeedbackclosed-loopcontroltomakestackingmanipulatormorepreciseoperation.Bysensorsinthedesignandtheswitchposition,strengthsignaltothePLChost,PLCbycontrollingthedriveofthemotorandreversing,thepallettrajectoryofrobotarmintelligentoptimizationandtrackingcontrol.BasedonS7-200PLCasthecoretechnologyresearchanddevelopmentofthecontrolsystemofladderdiagramprogram,instructionsheetsanddebugging,theformationofmanualandfullcyclehalfcycleandsinglestepcontrolmethodofmoreandmorewidelyusedelectricalautomationcontroldeviceforresearchandextension.

Keywords:

Intelligentmanipulator;Thesensor;Drive;Intelligentalgorithms;PLCcontrol

第1章绪论

1.1课题背景与意义

1.1.1研究背景

随着时代的不断进步经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，智能机械手显然更符合人们的需求。

智能码垛机械手是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术产品，其应用日益广泛，成为当代新技术研究的热点。

机械手的应用情况也是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机械手并不是在简单意义上代替人的劳动，而是综合了人和机器特长的一种拟人的机械电子装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器持续工作时间长，精确度高、抗恶劣环境的能力。

从某种意义上说，它也是机器在进化过程中的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备[1]。

作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展。

不管是人工码垛，还是传统的自动码垛技术和在线式码垛机均无法满足现代化企业多品种少批量的产品码垛要求，即缺乏处理多种产品的能力；另外，随着大型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万的用户按定单配送产品，这就要求码垛机具有混合码垛的能力，所有这些，都为码垛机械手的发展提供了机会，继70年代末日本将机械手技术用于码垛工艺以来，码垛机械手的研究开发获得了迅速的发展，柔性、处理速度以及抓取重量不断提高，价格不断下降。

近年来，机械手码垛技术发展甚为迅猛，这种发展趋势是和当今制造领域出现的多品种少批量的发展趋势相适应的，码垛机械手以其柔性工作能力和占地面积小，能够同时处理多种物料和码垛多个料垛，愈来愈受到广大用户的青睐并迅速占据码垛市场。

智能码垛机械手操作更准确，具有定位精度高的特点，目前码垛机械手的定位精度可达0.1mm以上，而在焊接、装配等高要求领域里作业的机械手精度可达微米级；速度更快，如ABB公司在开发具有1200周期/小时160kg抓取载荷的名叫FlexPalletizerIRB640码垛机械手。

机械手技术在码垛领域中的应用，主要表现在以下几个方面：

（l）适应性强。

码垛机械手主要更换抓手就可以处理不同种类的产品。

（2）智能程度高。

码垛机械手可以对到来的物料进行识别，然后根据识别信息将物料送往不同的托盘上。

（3）操作范围大。

码垛机械手本身占地面积小，操作范围大，可同时处理多条生产线上的产品。

（4）卸垛与码垛这种情况是指将两个以上的匀质物垛进行卸垛，然后将卸下的物料码垛在另一个托盘上，以满足用户的要求。

1.1.2研究意义

据联合国欧洲经济委员会国际机械手联合会最新统计，目前在世界范围内服役的机械手总量大致在76万台至102万台之间。

从宏观的角度看机械手发展的大趋势，20世纪花了大约50年，工业机械手从萌芽进入成熟，20世纪90年代起步的下一代机械手大约需要30年的培育期，即在2020年左右有望进入成熟期。

日本、美国等西方发达国家码垛机械手应用广泛，几乎遍布各个行业，如石化行业、食品行业中的、饮料行业等等。

而在中国，码垛机械手开始在食品化工等行业刚开始得到应用。

码垛机械手未能在较大行业范围内使用，而且在使用的码垛机械手中，进口码垛机械手占据很大一部分比例。

从各方面可显示出，工业机械手现在处于迅速发展阶段，掌握机械手的设计方法是刻不容缓的事情。

随着科学技术的迅猛发展，生产力水平的不断提高，人们对降低劳动强度、改善工作环境日益重视起来。

石油化工、化肥、粮食、港口等行业对码垛质量和劳动效率的要求也日益提高，从而促进了这些企业的现代化改造。

而传统的人工码垛由于其生产效率低下而成为这些行业产量和码垛质量提高的巨大障碍，己不能满足现代化大生产的需要。

目前国内全自动码垛设备主要依靠进口，国产设备生产厂家相对较少，码垛机械手技术不是很成熟。

我国人工码垛的低效率与产量的日益提高之间的矛盾日益突出，因此对码垛机械手的研究具有重大的经济意义和现实意义[1]。

1.2国内外研究现状与发展趋势

工业机械手是一种用于再现人手功能的自动控制装置。

对其研究源于20世纪40年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手，逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科。

经过美国几年的科研攻关，于1958年联合控制公司研制出了世界第一台机械手，在机体上安装一个回转长臂，并在端部装有电磁铁的工件抓放机构。

之后经过四年的发展由美国的机械铸造公司制造了一台数控示教再现型机械手，取名为Unimate（即万能自动），运动系统采用仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰是用液压驱动。

后来的许多机械手就是按此模型为基础发展起来的。

1962年美国的机械铸造公司制造又成功研制了一款叫Versatran机械手，能实现点位和轨迹控制，实现灵活搬运。

这些成果为全世界的工业机械手发展奠定了扎实基础。

正是这样，后来的瑞土RETAB公司生产的一种涂漆机械手，采用的示教方法编程。

德国机器制造业从1970年开始研究机械手，其中KnKa公司还生产一种点焊机械手，用关节式结构与程序控制实现操作。

主要研究应用于起重运输、焊接、设备上下料等作业。

日本于1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究，到1979年时日本从事机械手研究与生产的院校、研究单位达50多家，至1979年时生产机械手数量达56900台，1990年时有55万台机械手，是工业机械手发展最快，应用国家最多的国家，按每年55%的速度增长，并在汽车生产线上使用最多，目前成已为世界上工业机械手（机械手）应用最多的国家之一。

前苏联从60年代以来开始发展机械手并应用于各类生产中，最主要是应用于机械工业，为了减轻劳动强度，自动化水平较低。

到70年代中期时使用较为广泛，且超过一半是由国内生产。

中国经历了70年代的萌芽期，主要以引进先进技术为主，代替部分人工劳动；80年代的开发期，如上海ABB工程有限公司、沈阳新松机械手自动化股份有限公司等均，90年代的应用期，如柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧地希机电（青岛）有限公司等均开发适用于用户要求的机械手。

就目前来看国内使用的机械手进口所占比例依然较大，2012年各占50%左右，约15000台。

在我国从制造大国向制造强国迈进过程中，还面临着国际环境与技术、分工的巨大挑战，发展自动化产业是政府必须主导且已经给予资金和政策扶持的重要产业，相信随着我国综合国力增强，科技不断进步，国产机械手应用于生产及走出国门将会更为广泛。

我国机械手应用主要分布在上海、辽宁等，华东地区占全国56%左右。

主要应用于焊接、装配、喷涂、搬运等制造行业机械手；水下机械手、农业机械手、微操作机械手、医疗机械手、军用机械手、娱乐机械手等非制造业机械手。

其控制方式主要基于单片机技术和PLC技术为核心，且PLC应用发展趋势更为出众。

1972年我国第一台机械手在上海开发成功。

随后各大型公司都逐渐开始研制和应用机械手。

从1986年到1990年政府的第七年“五年计划”就将工业机械器人列入了优先发展的地位，通过立项投入了较大的人力与物力研究工业机械手应用于工农业生产的活动。

并且研究制造了相关的工业机械手成果，如北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手；大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手等等。

相关的专用机械手的配套部件如专用轴承、传感器、伺服电动机等也研制出来并广泛使用。

其中的关键性部件――控制器是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械人研究所共同科研攻关的成果。

随着计算机技术、机械制造技术及自动控制理论的发展，我国在许多工业上采用了机械手控制技术，尤其是近年以来，柔性制造技术和工厂的自动化技术不断应用生产实践，代替了许多繁重的体力劳动，改善了工人的劳动条件，也体现了工业机械手应用生产的强大生命力，不断推动科技更新，设备更新。

第二代、第三代机械手增加了许多功能，具有视觉、触觉、听觉等能力，把各种传感器安装于机械手的各部位形成自动化水平相当高的机械手。

现如今国内外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做相应的变更。

如位置发生少许偏差时能更正并自行检测。

重点是研究视觉功能和触觉功能，目前国际机械手界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究并朝着智能化和多样化方向发展，工业机械手发展趋势主要为[1]：

①操作机的结构优化。

探索新的高强度轻质材料，进一步提高负重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

②控制技术的开放化、模块化、标准化和网络化。

③多传感器融合技术的实用化。

④多智能体协调化。

⑤高速化、重载化、高精度化

⑥低成本、微型和轻量化。

1.3机械手的各类型与用途比较

（1）油田钻柱操作机械手：

主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。

操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。

下手的腰部回转角度≥120̊，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。

上手的腰部回转角度为310̊，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂伸缩运动时手部保持水平平动。

机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。

机械手可以完成的操作对象参数为

钻柱高30m；钻杆重量为40Kg/m，总重量1200Kg；钻铤（七英寸直径）重量为：

180Kg/m，总重5400Kg。

如下图1-1。

图1-1油田钻柱操作机械手

（2）软索式机械手：

用于抓取娇贵的零件，比如玻璃制的真空管，其浮动特性保持工件不受冲击；悬挂具有精度要求的工装，可以使定位部分轻松实现配合。

原装进口的主机，配以定制的安装基础和夹具形成完整的吊装方案。

地面安装为立柱悬臂式，布置灵活而经济；顶棚安装为纵横轨道式，配合铝合金导轨和柔性悬挂组件，节省地面空间，且移动轻便顺畅。

适用于重物的垂直吊装，与“僵硬”的电葫芦不同，工件被吊起后处于重力平衡的“漂浮”状态，故称“平衡吊”。

系统在设计上，可实现升降控制与气动夹具的抓取动作控制形成一个有机的整体，操作者能双手把持工件进行定位，操作便利性大大提高。

标配集成控制阀组、机械式过速安全、负载检测自锁等安全机构。

具有全行程的“漂浮”功能，提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。

配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。

配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。

安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。

其动力规格为0.5-0.7Mpa无油压缩空气，负载规格为68-227kg。

如下图1-2

图1-2软索式机械手

（3）硬臂式助力机械手：

在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。

可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。

如下图1-3

图1-3硬臂式助力机械手

硬臂式机械手适合适应于抓取任何形状的物品，抓取重量范围10kg-300kg，其优点如下几点：

可平衡工件的重量，使工件呈无重力化浮动状态，适用于工件的精确移栽；采用气动平衡原理，能够感知工件重量变化，在空载或抓取不同重量的工件时都能实现三维空间的悬浮状态，用于精切定位；刚性手臂和带动工件做升降运动，横向臂可带动水平运动，并能保持头部水平，方便操作使用；操作手柄与夹具集成一体，方便操作，工件定位准确，控制部分按照人体工程学原理布置，便于操作以及处理紧急情况；设计有多个回转关节，夹取工件范围广泛，并配备有刹车装置，可锁住各个回转关节，防止在闲置状态下移动。

（4）T型助力机械手：

前后左右位移靠导轨来实现，更适合于操作空间狭小的场合。

配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。

并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。

T型助力机械手区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。

因为T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操纵空间狭小的场合。

T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但晋升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。

配有储气罐，可在断气情况下继承使用一个轮回，同时会报警，提醒操纵者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。

并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操纵者不能开释工件。

配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种外形的工件。

安装形式为导轨移动。

如下图1-4

图1-4T型助力机械手图1-5三自由度机械手

（5）以下是三自由度机械手：

结构简单，编程也不复杂。

但是与多关节机械手相比较，性能与灵活程度都有所下降。

三自由度机械手的可操作范围小，高度很有限制，其抓物件的力量也大不如多关节机械手，如图1-5。

所以根据本毕设的功能和应用范围我选择多关节机械手。

1.4研究内容及章节安排

1.4.1主要研究内容

1.深入分析生产线的工艺流程及智能机械手精确运行的控制要求；

2.完成部分关键装置机械结构设计，选用恰当的控制规律，实现对机械手运行位置的检测与反馈；

3.根据生产线有效生产的功能要求，确定研究所需的硬件设备：

PLC、伺服机、驱动器、传感器等；

4.采用PLC对智能机械手控制的设计：

完成绘制监控界面，建立数据库、I/O配置、同时有报警等功能。

5.智能码垛机械手的控制系统电气设计以及硬件电气连接。

本设计采用S7-200PLC编程软件为核心的智能机械手控制系统。

机械手的控制系统包含：

PLC模块、传感器模块、驱动器以及显示等模块。

采用光电传感器对物件进行检测定位，然后经A/D转换器送到计算机，PLC对传来的数据与预先设置的定位进行比较，然后控制驱动电路对伺服机进行调整。

此外，还通过报警器对机械手进行实时监测，通过编程使机械手有定时系统，运用PID控制位置精度，使机械手能够更好更安全的工作。

最后按照稳定抓取并搬运物体的设计要求进行机械手控制系统设计，包括硬件设计和软件的实现，理论上实现对物体的抓取并搬运。

通过对机械手系统总体设计提供的设计方案和分析方法，为下一步的深入设计奠定了理论基础。

1.4.2主要难点

1.机械手的智能控制和定位的精确性。

采用光电传感器感应设备进行检测，利用反馈闭环系统实现对机械手的智能控制，并利用步进电机作为驱动设备，采用闭环点位控制满足定位需要。

2.多传感器系统的建立，为进一步提高机械手的智能触觉和适应性多种传感器的使用是其问题解决的关键，利用PLC控制系统和合理的编程，使传感系统实用化。

1.4.3章节安排

本课题在查阅国内外大量资料的基础上，对工业机械手研究中的重点问题进行了较为深入的学习研究。

本课题主要对智能机械手系统的电气控制智能算法、传感器部分和驱动器伺服电机部分的相关问题进行了研究，具体安排如下：

第1章，概要性地说明了本课题的研究背景和研究意义、国内外机械手的发展现状、发展历程及工业机械手的发展趋势，总结了国内机械手发展需要解决的问题，最后介绍了本课题的主要研究内容。

第2章，主要介绍了智能机械手的整体设计方案，以及其整体结构。

还注重介绍了智能机械手的硬件选择与设计，包括驱动器的设计选型、电机的选型、传感器行程开关的设计选型，控制器的确定，各个关节驱动方式的选择以及各个关节位置控制系统的设计，还有电气系统的设计与实现。

第3章，主要为软件PLC控制编程的设计，以及智能算法的提出验证，反馈控制系统的建立和完善，对空间状态进行的研究。

结合机械手的结构特点，建立运动学数学模型，进行正、逆向运动学分析求解，分别得出了操作臂末端在基坐标系下的位置关系式和各关节的参数变量，为下一步对目标物体稳定抓取的研究打下基础。

第4章，完成了智能码垛机械手的示意以及呈现了总体流程图。

最后，总结了本课题研究内容的成果，并针对设计的不足，对以后机械手完善设计工作提出了建议，为下一步的深入研究提供了理论依据。

第2章智能码垛机械手的总体方案设计

正如“建筑要高大稳固，地基打好是关键”，一个系统的设计能否成功，主要取决于它的方案设计合理与否，也就是说方案的选择是设计系统的核心部分。

本章主要就系统的驱动部分、传感器选型部分、控制部分等进行方案论证，并简述智能码垛机械手系统的动作顺序控制流程和工作原理。

本章主要介绍了智能机械手的整体设计方案，并论证方案。

还注重介绍了智能机械手的硬件选择与设计，包括驱动器的设计选型、伺服电机的选型，经验计算确定型号的基础上，根据惯性矩匹配原则和转矩匹配原则对伺服电机进行校核。

传感器设计选型，各个关节驱动方式的选择以及各个关节位置控制系统的设计和电气系统的设计，都为智能码垛机械手的智能控制做好了铺垫。

2.1基于PLC的智能机械手总体设计方案与论证

2.1.1方案设计

智能码垛机械手系统可分为机构本体和控制系统两大部分。

控制系统的作用是根据用户的指令对本体进行操作和控制，完成作业的各种动作。

控制系统的性能在很大程度上决定了机械手的性能。

一个良好的控制系统要有灵活、方便的控制方式和很高的安全可靠性[7]。

（1）硬件组成：

电源、PLC控制系统、外部开关设备