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基于PLC机械手臂的设计毕业论文
河北工业大学
基于PLC的机械手臂的设计
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摘要
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，本文介绍的是机械手模型基于PLC的控制系统设计。
首先，对可编程控制器进行相应的介绍，选择了PLC的型号。
然后，通过对机械手的各功能实现形式和控制方式研究，给出各部分的实现方案并确定了控制系统的器材。
最后，进行PLC控制系统的硬件结构和软件程序设计。
关键字：
可编程控制器PLC机械手步进电机
ABSTRACT
Robotsareakindofautomaticpositioningcontrolandcanbeprogrammedtochangetothemulti-functionmachineareintroducedinthispaper,themodelofthemanipulatorbasedonPLCcontrolsystemdesign.
First,theprogrammablecontrollertointroduce,makecorrespondingchoicemodelofthePLC.Then,basedonthefunctionofthemanipulatorrealizationandcontrolmethodsarestudied,andtheschemeofrealizationofthecontrolsystemandtheequipment.Finally,thePLCcontrolsystem,thehardwarestructureandsoftwaredesign.
Keywords:
PLCprogrammablecontrollerManipulatorSteppingmotor
第1章绪论
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。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。
如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。
应用机械手，有利于提高材料的传送、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，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
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。
同时，借助组态软件辅助作用，大大提高了系统的工作效率。
因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。
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机械手的定义与分类
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。
其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。
因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
机械手一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。
它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定作业，后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。
第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
本项目要求设计的机械手模型可归为第一类，即通用机械手。
1.3机械手应用及组成结构
目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。
在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。
执行机构包括手部、手臂和躯干。
手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。
机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。
手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。
可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。
本设计采用二指的构造。
手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。
为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。
总之，机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。
躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。
驱动机构主要有四种：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
其中以电气、气动用得最多，占90％以上，液压、机械驱动用得较少。
液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。
一般采用4～6个大气压，个别达到8～10个大气压。
本设计的手爪部分采用气压驱动。
电气驱动时，直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。
通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。
本设计采用步进电动机驱动手臂运动，直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。
机械驱动只适用于动作固定的场合。
机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。
机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90％以上。
控制系统可以根据动作的要求，设计采用数字顺序控制，它首先要编制程序加以储存，然后再根据规定的程序，控制机械手工作。
对动作复杂机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。
本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等。
1.4机械手的发展趋势
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。
目前，机械手技术有了新的发展：
出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。
机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国外方面：
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：
目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。
从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
1.5总体设计要求
1.机械手结构示意图
图1-1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.机械手工作流程
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，步进电动机开始运转（横轴向手抓方向移动，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，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，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。
3.控制要求
（1）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。
第2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。
2.1PLC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，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
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。
2.2PLC的选型
对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。
例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。
同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。
1.常用PLC介绍
PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。
西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。
欧姆龙S7-200系列PLC突出的特点：
可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。
OMRON的可编程序控制器更加小型化。
SYSMACCPM1A的大小仅相当于一个PC卡（对于10点的机型来说），从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。
它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。
编程环境与CQM1及SYSMACA等机种相同。
由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。
三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。
在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。
在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。
其FX2NPLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。
2.确定型号FX1N－60MR
综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。
同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。
还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。
在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。
FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。
其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。
它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。
2.2.3FX1N所具有优越性能
CPU处理速度达到了0.065us/基本指令。
内置了高达64K步的大容量RAM存储器。
大幅增加了内部软元件的数量。
强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。
晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：
带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。
内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。
增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。
新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。
通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。
可以选装高性能的显示模块（FX3U-7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：
半角16个字符（全角8个字符）×4行。
在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。
另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。
2.3三菱FX系列的结构功能
可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。
硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。
系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。
PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。
本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。
FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图2-1系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。
PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。
图2-1PLC的组成框图
外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。
PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。
PLC输入输出接口的安全保护
当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。
对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。
阻容电路中电阻可取51～120Ω，电容取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。
续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。
图2-2为输入输出口的保护环节示意图。
图2-2输入输出口的保护
第3章各功能实现形式与控制方式
3.1本机械手模型的机能和特性
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。
3.2夹紧机构
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。
3.3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。
底盘采用一个直流电动机驱动，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。
3.4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3-1。
图3-1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。
综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表3-1。
表3-1所选器材列表
名称
型号或规格
数量
名称
型号或规格
数量
PLC
FX1N-60MR
1
限位开关
LX19-111
8
电磁阀
VF3130
1
转换开关
LW6-5
1
按钮
LA10-1H
13
熔断器
RC1A-30/15
2
连接导线
若干
第4章控制系统设计
4.1控制系统硬件设计
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来，在手动方式时可以通过手动按钮来实现，其控制面板如下图4-1。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到右上角位置待命。
当旋钮打向连续时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下
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