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机械手毕业设计

毕业设计（论文）

题　　目:

基于PLC机械手控制系统设计

专　　业:

　电气自动化　　　　

班　　级:

10214

学　　号:

姓　　名:

学习

指导老师:

陈宇峰

成都工业学院

二〇一三年五月

论文摘要

机械手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。

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。

机械手主要由手部和运动机构组成。

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。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

关键词:

点控制机械手连续控制机械手可编程控制技术

Abstract

Themanipulatorcanimitatethemanpowerandthearmcertainmovementfunctions,withbypressesthefixedroutinetocapture,thetransportingthing'or'operationtoolautomaticoperationinstallment.Itmayreplacehuman'sstrenuouslaborbytorealizetheproductionmechanizationandtheautomation,canoperateundertheharmfulenvironmentbyprotectsthepersonalsafety,Thuswidelyappliesindepartmentandsoonmachinemanufacture,metallurgy,electron,lightindustryandatomicenergy.

Themanipulatormainlyiscomposedbythehandandthemotion.Thehandisusesfortograspholdstheworkpiece（ortool）apart,accordingtoisgraspedholdsthethingtheshape,thesize,theweight,thematerialandtheworkrequestbuthasthemanykindsofstructuralstyle,Likesupportingonbothsides,requestholdingandadsorptionandsoon.motion,causesthehandtocompleteeachkindofrotation（toswing）,themigrationorthecompoundmotionrealizesthestipulationmovement,thechangeisgraspedholdsthethingthepositionandtheposture.

Themanipulatorusuallyservesastheenginebedorothermachinesadd-oncomponents,likeonautomaticenginebedorautomaticproductionlineloadingandunloadingandtransmissionworkpiece,Replacesthecuttingtoolintheprocessingcenterandsoon,doesnothavetheindependentcontroldevicegenerally.Somewhatoperatestheequipmenttoneedbythehumandirectcontrol,likeusesinthehostwhichtheatomicenergydepartmentmanagesthedangerousgoodsfromthetypeoperatoralsooftenbeingcalledthemanipulator.

Keywords:

positioncontrolmanipulatorcontinualtrajectorycontrolmanipulatorPLC

绪论

随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。

机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。

它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。

可以实现生产的机械化和自动化，能在高温，腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。

可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。

使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。

适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。

采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。

本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。

主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。

机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。

机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。

工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统，实现生产自动化。

随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。

日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。

欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。

我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：

70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。

在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。

在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。

如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。

随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。

从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。

如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。

在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。

在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。

据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。

第一章机械手简介

1.1课题背景

随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。

工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。

这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。

在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。

基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。

1.2机械手的分类

按机械手的使用范围分类：

⑴专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。

它从属于某种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。

这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

⑵通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

按机械手的驱动方式分类：

⑴液压驱动机械手以压力油进行驱动。

⑵气压驱动机械手以压缩空气进行驱动。

⑶电力驱动机械手直接用电机进行驱动。

⑷机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

按机械手臂力大小分类：

⑴微型机械手臂力小于1公斤。

⑵小型机械手臂力为1～10公斤。

⑶中型机械手臂力为10～30公斤。

⑷大型机械手臂力大于30公斤。

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。

1.3应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。

在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。

其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的：

（1）可以提高生产过程的自动化程度。

应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

（2）可以改善劳动条件、避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的。

而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

（3）可以减少人力，并便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。

综上所述，有效地应用机械手，使发展工业的必然趋势。

1.4机械手的发展概况和趋势

机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。

机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对发展这一新技术都很重视。

气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统已被接受。

由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。

因为气动伺服定位技术一出现，就受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。

研制具有一定"感触"和"智力"的智能机器人。

这种机器人，具有各种传感装置，并配备有计算机。

根据仿生学的理论，用计算机充当起"大脑"，使它能"思考"、能"分析"、能"记忆"。

用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为"眼睛"，在其"视野"的范围内能"看"。

用听筒和声敏元件等作"耳朵"能"听"。

用扬声器等作"嘴"能"说话"进行"应答"。

用热电偶和电阻应变仪等作"触觉"能"感触"。

用滚轮或双足式的行走机构作为"脚"来实现自动移位。

这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下达命令，布置任务。

受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地"分析"和"判断"并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。

因此，它将成为"无人化"系统的重要组成环节之一。

第二章机械手设计

2.1手结构示意图

图2-1机械手示意图

1.手爪张开闭合2.手腕旋转3.水平移动4.升降5.立柱旋转6.手爪7.手腕电动机8.横轴9.竖轴10.竖轴电动机11.横轴电动机12.底盘13.底盘电动机

2.2械手工作流程

机械手工作流程是：

开始运行后，如果机械手不在初始位置上，先回原位，步进电动机开始运转（横轴向后方向移动，竖轴向上移动）。

归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，上升到位后横轴缩回，缩回到位后底盘电动机带动底盘旋转；当底盘到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动。

2.3控制要求

手臂上下直线运动。

（2）手臂左右直线运动。

（3）手腕旋转运动。

（4）手爪夹紧动作。

（5）机械手整体旋转运动。

手臂采用步进电机驱动，由PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转,实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。

2.4主电路设计

基于PLC的机械手控制系统一共有四台电机：

一台用于地盘旋转的三相异步电动机，两台用于上升、下降和前伸、后退的步进电动机，一台用于机械手抓紧机构旋转的直流电动机。

图2-2机械手主电路图

2.5机械手的机能和特性

物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。

根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。

我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。

本设计的机械手，它共有自由度5个。

即：

手臂前后伸缩、手臂上下伸缩、手臂左右旋转、手腕回转、手指的抓握。

2.5.1加紧机构

机械手手爪是用来抓取工件的部件。

手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。

设计制造夹紧机构——机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。

其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。

则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。

为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。

为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。

夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。

夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。

有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。

本设计采用机械式夹紧装置。

机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。

如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。

本设计采用二指式手爪。

由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。

手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。

2.5.2躯干

躯干有底盘和手臂两部分组成

底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。

底盘采用一个三相异步交流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。

同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。

手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。

本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。

手臂采用电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。

由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限位。

采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高，传动效率较高。

2.5.3旋转编码盘

机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。

编码盘的机构如图2-3

图2-3旋转编码盘

可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。

2.5.4步进电机

采用三相六拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。

主要特点：

体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图2-4

图2-4步进电动机接线图

2.5.5步进电动机的控制

用PLC控制三相六拍步进电机，其控制要求如下：

三相步进电动机有三个绕组：

A、B、C，

正转通电顺序为：

A→AB→B→BC→C→CA→A

反转通电顺序为：

A→CA→C→BC→B→AB→A

以下以控制步进电动机的上升和下降为例

采用移位指令进行步进控制，按照三相六拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2-1。

表2-1

M31M32M33M34M35M36

100000

每左移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成六拍后重新赋初值

据此，可作出移位寄存器的输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表所示。

从而得出三相绕组的控制逻辑关系式：

正转时：

A相Y000=M31+M32+M36反转时：

A相Y000=M31+M32+M36B相Y001=M32+M33+M34B相Y001==M34+M35+M36

C相Y002=M34+M35+M36C相Y002=M32+M33+M34

表2-2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表

辅助继电器

上升

下降

M31

M32

M33

M34

M35

M36

2.6电源与传动整体

本设计总体需求电机3种，电源3种，分别是步进电机与鼠笼式三相异步电机。

电源为380V、220V交流电源与24V直流电源。

其中直流电源分属电磁阀供电电源与PLC的DC24V电源。

2.6.1控制电源

PLC的电源分AC220V与DC24V两种。

220V为直接接入电源，24V为工作控制电源。

电磁阀工作电源为24V供电电源

2.6.2传动整体

外部电机为传送带用电机，通过电动机带动传送带工作，货物至挡板，再通过机械手抓取至下一传送带。

其图如图2-5

图2-5整体示意图

第三章PLC的介绍与选择

对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。

但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好，所以，我们选择PLC控制。

3.1PLC的特点

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选；（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了

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