机械手的控制系统研究与设计开发.docx
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机械手的控制系统研究与设计开发
嘉兴职业技术学院
毕业设计（论文）
题目名称：
机械手的控制系统
姓名：
所在分院：
机电与汽车分院
专业班级：
指导教师：
2014年6月1日
摘要
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。
通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。
机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。
机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。
它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。
机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。
现代生产过程中机械手被广泛的应用到自动生产线中。
机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。
机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。
本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件及软件设计。
关键词
数控；自动装卸；机械手；PLC
1引言
1.1课题背景
机械工业是国民的装备部是为国民经济提供装备,和为人民生活提供耐用消费品的产业不论是传统产业还是新兴产业都离不开各种各样的机械装备。
机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响，机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
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，工业机械手的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。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术。
它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动
不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
1.2机械手的发展
机械手一般为三类：
一是不需要人工控制的通用型机械手。
它是不属于其他主机的独立装置。
可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。
它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。
二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。
先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。
第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。
这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。
它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。
机械手首先是在美国开始研制。
第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。
结构是：
主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。
日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。
前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。
现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。
随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。
采用机械手已为目前研究的热重点。
目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。
1.3机械手的组成
机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。
一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。
图1-1机械手的组成及相互关系
（1）执行机构
执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。
手为抓取机构，用于抓取工件。
关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。
支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。
（2）传动机构
传动机构用于实现执行机构的动作。
常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。
1、控制系统
机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。
简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。
2、辅助装置
辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。
机械手按用途分类为：
专用机械手、通用机械手。
按照传动方式分类为：
液压式机械手、气动式机械手、机械式机械手和电动机械手。
1.4应用机械手的意义
随着科技的发展，机械手应用的越来越多。
在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：
1、提高生产过程自动化程度，增强生产效率。
机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。
2、改善劳动条件
在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。
在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。
3、减少人力资源，便于节奏生产。
机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。
机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。
生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。
综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。
2可编程控制器PLC
2.1可编程控制器的产生
PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：
（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；
（2）编程简单；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4）抗电磁干扰强；（5）具有数据通信功能。
就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电－接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。
2.2PLC的特点
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
2.3PLC的定义
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。
用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：
“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5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。
2.4机械手采用PLC控制的优点
机械手不止有一种控制系统，一些控制系统或多或少会存在一些缺点，而这些缺点在自动化生产中会造成不可避免的损失。
而PLC控制的机械手在工业应用上表现最为突出，我们从几方面论述一下PLC控制机械手的优点。
1、控制方式：
电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能非常困难；而PLC控制是软接线，改变控制程序即可实现逻辑的改变或增加功能。
2、工作方式：
电气控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制约。
3、控制速度：
电气控制速度慢，触电易动；PLC通过半导体控制，速度快，无触点，无抖动。
4、可靠性能：
电气控制触点多，会产生磨损和电弧烧伤，接线多，可靠性差；PLC无触点，寿命长，具有自诊功能，执行程序监控，调试和维护方便。
3机械手的控制系统
3.1系统原理
图3-1系统原理图
机械手的原理就是把相关的信息和程序通过电脑（PC），通过数据线传递到可编程器（PLC）里面，然后PLC把信号和程序通过转换，然后输出对机械手进行相关控制。
3.2控制系统设计的基本步骤
机械手系统设计和调试的主要步骤，如下图3-2所示：
图3-2系统设计步骤图
在机械手控制系统的设计过程中需考虑以下几点：
1、了解分析机械手工艺设计和控制要求。
2、确定I/O设备。
根据机械手控制系统的功能要求确定所需的用户输入输出设备。
常用的输入设备有行程开关、按钮、选择开关、传感器等，输出设备有继电器、指示灯、接触器等。
3、选择适合I/O点数的PLC。
4、分配PLC的I/O点，编制输入输出分配表接线图。
5、设计机械手控制系统梯形图，根据需要设计完整的梯形图程序。
6、测试PLC程序，查找错误。
7、调试机械手，进行联机调试，查找问题。
3.3控制系统的要求
机械手动作过程：
自原点起，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手开始下降。
当机械手下降碰到限位开关时，下降电磁阀断电，机械手停止下降；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，上升电磁阀通电，机械手开始上升，直至碰到上限开关，上升电磁阀断电停止上升。
使用伺服电机控制机械手开始旋转，180°后机械手停止旋转。
接通右移电磁阀使机械手向右移动直至碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手停止右移。
左工作台无物料时光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。
直至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手停止下降，同时夹紧电磁阀断电机械手放松，完成物料搬送。
机械手放松后上升电磁阀通电使机械手开始上升，碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止；接通左移电磁阀，机械手左移，碰到左限位开关，机械手停止左移，机械手底座旋转180°回到原点，完成一周期动作。
图3-3机械手动作简图
图3-4机械手功能图示
图3-5机械手传动系统及控制面板示意图
3-1机械手传送系统I/O点分配表
名称
代号
输入
名称
代号
输入
名称
代号
输出
启动
SB1
X0
夹紧
SB5
X10
电磁阀下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X1
放松
SB6
X11
电磁阀夹紧
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X2
单步上升
SB7
X12
电磁阀上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X3
单步下降
SB8
X13
电磁阀右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X4
单步左移
SB9
X14
电磁阀左行
YV5
Y4
停止
SB2
X5
单步右移
SB10
X15
原点指示
EL
Y5
手动操作
SB3
X6
回原点
SB11
X16
连续操作
SB4
X7
工件检测
SQ5
X17
图3-7控制系统原理接线图
3.4系统及原理
3.4.1操作系统
操作系统包括回复原点程序，手动单步操作程序及自动连续操作系统。
如图所示：
图3-8机械手操作系统程序
原理：
把旋钮重置于原点，X16接通，系统自动返回原点，Y5驱动指示灯显示。
把旋钮置于手动，X6接通，常闭触头打开，程序不跳转（CJ为跳转指令，CJ驱动跳至指针P所指P0处）开始执行手动程序。
之后执CJ指令时由于行X7常闭触点将跳至P1所指的结束位置。
旋钮置于自动，即X6闭合X7打开，程序执行时将跳过手动程序执行自动程序。
3.4.2回零程序
回零程序如图3-9所示。
S10~S12作为回零操作原件。
当使用S10~S19作为回零操作在最后状态复位前应使特殊继电器M8043置1。
图3-9回零状态示意图
3.4.3手动操作程序
如图3-10所示。
图中上升/下降，左移/右移有连锁和限位保护。
图3-10手动单步操作系统图
3.5.4自动操作程序
如图3-11所示，当机械手处于原位按下启动按钮X0，状态转移到S20，驱动下降Y0，到达下限位行程开关X1接通，状态转移S21，S20自动复位。
S21驱动Y1延迟一秒以便使电磁力达到最大夹紧力。
当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升达到上限位X2接通，状态转移到S23，驱动Y3右移。
达到右限位X3接通，状态转移到S24下降，当达到下限位X1接通，电磁铁放松，并延迟一秒。
后T1接通，状态转移S26上升，达到上限位X2接通，S27左移，达到左限位X4接通，返回初始状态。
一次循环完成。
图3-11自动操作流程图图
3.6.5手动自动一体化梯形图
如图所示，第0行到第27行为复位状态。
第28行到第66行为手动单步操作程序。
第67行到129行为自动操作程序。
这三部分模块是图3-8的操作系统运行的。
回零程序和自动操作系统是用步进顺控方式编程。
回零程序不能自动返回初始状态S1，自动操作程序可以自动返回初始状态S2。
图3-12机械手手动自动一体化梯形图
总结
本课题所设计的机械手的操作过程是由电动机和气缸组成执行机构作为驱动，系统采用可编程控制器控制，运用步进顺序控制编程，程序简单且便于调试。
通过PLC本身通信接口与计算机联网，对现场操作的各项参数进行监测、修改、调整，使系统处于最佳工作状态。
利用PLC控制机械手相对于其它控制方式，具有很高的可靠性，较好的性价比，较强的可操作性和实用性。
就本课题设计的目的，实际应用运行良好，大大方便了工作和生活。
通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得到了提高，认识到自己在这方面的不足。
并且，对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了有关可编程控制器的功能，还有机械手的工作原理等等。
通过做这个设计，对以前不足的知识进行弥补，在指导老师那里学到了很多宝贵的东西，这些都是对我很有帮助的。
本次毕业设计的研究工作是在我的指导老师岳老师的精心指导和同学的帮助下完成的。
在这里，首先要向本次设计的指导老师表示最诚挚的谢意。
老师在自己紧张的工作中，仍然会抽出时间对我进行指导，时刻关心我的设计的进展状况。
老师给予的帮助对我的设计是非常重要的，从借阅参考资料到现场的实际操作，她都给予了指导，不仅让我掌握了书本中的知识，更学会了学习操作方法，如何合理安排时间和论文的编写，对我提出的问题认真讲解，这让我更容易懂得那些比较难的问题。
其次，还要向给予此次毕业设计帮助的同学们以诚挚的谢意，在整个设计过程中，他们也给我很多帮助，更重要的是为我们提供不少技术方面的资料，在此感谢他们，没有这些资料就不是一个完整的论文。
总之，本次设计是在老师的指导下和同学的帮助下共同完成的，在设计的这段时间里，我们合作的非常愉快，教会了我许多道理，是我人生的一笔财富，我再次向给予我帮助的老师和同学表示感谢。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
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液压与气动
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