基于PLC控制的机械手设计Word格式.docx
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尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
2.2机械手移动物体的基本构造
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。
2.2.1执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
机械手各部分组成列表2-1。
各部分结构如图2-2所示。
图2-2各部分结构
表2-1机械手个部分组成表
执行机构
手部
手腕
手臂
立柱
行走机构
机座
驱动系统
动力源
控制调节装置
辅助装置
控制系统
程序控制系统
定位控制系统
位置检测装置
（1）机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
（2）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
（3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。
手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
（4）手腕
手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）。
手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。
此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。
导向装置结构形式，常用的有:
单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
（5）手部
手部即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。
平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。
常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:
手指有外夹式和内撑式;
指数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。
传力机构型式较多，常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。
造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。
电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。
此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。
（6）行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。
驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
2.2.2驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。
常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。
考虑到机械手为通用机械手加之PLC控制的需要可选用电力驱动。
（1）动力源
为达到精确控制的目的，根据市场情况，本设计采用步进电机自我动力源。
机械手纵轴（Y轴）和横轴（X轴）选用的是北京四通电机技术有限公司42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°
/1.8°
，电流1.5A。
M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；
M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。
所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。
驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。
一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。
本驱动器最大输出电流值为3A/相（峰值），通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。
本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
（2）控制调节装置
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式，有油封，无制动器，轴采用键槽连接。
该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；
定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。
具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。
具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。
伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。
（3）辅助装置
采用可回旋360°
的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。
无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
2.2.3控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。
目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。
控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
（1）程序控制系统
根据系统的设计要求，选用SIMATIC公司生产的S7-200系列小型机。
S7-200在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。
S7-200的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。
完整的通信功能保证了与个人计算机、其它SIMATICPC和可编程终端的通信。
这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
（2）定位控制系统
在可回旋360度的转盘机构上，安装有公司生产的增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。
（3）位置检测装置
位置检测用传感器，由于机械手运用传感器较多这里就不一一列举。
主要介绍位置传感器和压力传感器。
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
图2-3为位置传感器。
图2-3位置传感器
机械手抓取物体，要控制这个抓取力，一般采用触力传感器，是因为接触而产生的力，不是通常意义的压力传感器。
触力传感器（CUI公司的力-电阻型的触力传感器。
负荷传感器=接触压力传感器），以及Honeywell公司的力-电压型触力传感器FSS系列。
如图2-4所示。
图2-4为压力传感器
在自动生产线上使用着各种各样的机械手，它们不停地从事着搬运工件的工作。
为保证机械手抓取及放置工件位置的准确性，往往采用接近传感器对它们的运动范围进行限位。
图2-5是机械手左右运动限位的控制示意图。
接近传感器设置在机械手臂的左右需要限位的位置，当机械手臂左右运动靠近接近传感器时，传感器感知到手臂接近并在达到规定的检出距离时输出控制信号，经执行机构使机械手停止运行。
图2-5机械手左右运动限位的控制示意图
2.3机械手移动物体的工作流程与工作原理
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。
应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
图2-6是机械手搬运物品示意图。
图2-6机械手搬运物品示意图
图中机械手的任务是将左工作台的物品搬运到右工作台，左工作台上的物品由传送带A传送，右工作台由传送带B传送。
为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SP，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。
工作台上装有光电开关，用于检测工作台上物品是否到位。
机械手的起、停由起动按钮X0、停止按钮X5控制。
工作台传送由电动机拖动。
机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由电机驱动，并分别由五个继电器来控制。
2.3.1机械手移动物体的工作流程
传送带B处于连续运行状态，故不需要用PLC控制。
机械手及传送带顺序动作的要求是：
（1）按下起动按钮时，机械手系统工作。
首先下降继电器通电，手臂下降，下降至下降限位开关动作；
（2）启动传送带A运行，由光电开关SP检测传工作台上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧继电器通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；
（3）延时5秒上升继电器通电，手臂上升，至上升限位开关动作；
（4）右转继电器通电，手臂右转，至右转限位开关动作；
（5）手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；
（6）放松继电器通电，机械手松开手爪，经延时10秒后；
（7）手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；
（8）左转继电器通电，手臂左转，至左转限位开关动作；
（9）原位继电器通电，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。
机械手的初始位置在原位，按下启动按钮，机械手将依次完成：
下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作，实现机械手一个周期的动作。
机械手的下降上升左移右移的动作转换靠限位开关的控制而夹紧放松动作的转换靠时间继电器控制。
根据对机械手的顺序动作要求，可作出机械手动作流程图。
其动作流程图见附录A所示。
2.3.2机械手移动物体的工作原理
机械手的设计原理是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：
自由度的旋转、肩的前后动作、肘的上下动作、腕（手）的动作。
（1）机械手将一个工件有A处传送到B处.其中上升,下降和左移,右移的执行分别用双线圈二位继电器推动汽缸的完成.当摸个继电器通电,就一直保持现有的机械动作.例如,一旦下降的继电器线圈通电,机械手下降,即使线圈在断电,仍保持现有的下降动作状态,直到相反方向的线圈通电为止.另外加紧,放松由单线圈二位继电器推动汽缸完成,线圈通电执行加紧动作,线圈断电执行放松动作。
设备装有上下左右限位开关。
（2）工作过程其动作过程如下：
原位下降,加紧,上升右移,下降,放松,上升,移动，原位。
（3）在我们分析与讨论过程中，我画出主回路原理图，如图2-7所示，电源三相电连接断路器经过熔断器连接到交流接触器的主触点上。
交流接触器KM1是控制机械手原点指示灯，交流接触器KM2是控制机械手下降状态，交流接触器KM3是控制机械手夹状态，交流接触器KM4控制机械手上升状态，交流接触器KM5控制机械手右移，交流接触器KM6控制机械手左移状态，当闭合断路器交流接触分别实现如下表：
图2-7主回路原理图
表2-2机械手工作状态表
接触器
触点
工作状态
KM1线圈得电
原点指示灯亮
表明机械手工作在原点位置最左边和最右边
KM2线圈得电
主触点闭合
模拟指示灯接通，机械手工作下降的位置
KM3线圈得电
模拟指示灯接通，机械手工作在夹紧位置
KM4线圈得电
模拟指示灯接通，机械手工作在上升位置
KM5线圈得电
模拟指示灯接通，机械手工作在右移位置
KM6线圈得电
模拟指示灯接通，机械手工作在左移位置
（4）按下启动按钮，开始下降，碰到下限位开关，机械手夹紧物体，夹持物体上升，离开下限位，碰到上限位，夹持物体右移，离开左限位，碰到右限位，夹持物体开始下降，离开上限位碰到下限位开关，开始放松物体，机械手放下物体后离开下限位开关，碰到上限位开关，开始左移，离开右限位，回到左限位，机械手完成一次工作过程。
按下停止按钮，机械手需要完成一个周期后回到原位停止。
如果没有按下停止，则继续下一个工作周期。
机械手传送工件系统示意图及操作面板图如附录B所示。
3、机械手的PLC控制设计
3.1可编程控制器PLC的概述
图3-1PLC实物图
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
3.1.1可编程控制器PLC的产生
在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
1、编程方便，现场可修改程序；
2、维修方便，采用模块化结构；
3、可靠性高于继电器控制装置；
4、体积小于继电器控制装置；
5、数据可直接送入管理计算机；
6、成本可与继电器控制装置竞争；
7、输入可以是交流115V；
8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动继电器，接触器等；
9、在扩展时，原系统只要很小变更；
10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制。
于1977年开始工业应用。
3.1.2PLC的工作原理
PLC的工作原理，一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图3-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
图3-2PLC工作原理图
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；
相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
PLC工作过程如图3-3所示。
图3-3PLC工作示意图
3.1.3PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
3.2可编程控制器的选型
PLC选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。
（1）对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC；
其他情况则选用模块式PLC。
（2）PLC一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小分类，在PLC选型之前首先确定系统I/O点数利存储器容量。
PLC存储器用于存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两类，存储器容量选择可对照相关应用表来确定。
（3）PLC一般可以通过三种方式进行编程。
一种是厂家提供的普
升级会员 