机械手臂的控制设计.docx

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机械手臂的控制设计

1引言

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。

尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染性的场合，应用的最为广泛。

在我国，近几年也有较快发展，并取得一定成果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

机械手也称自动手。

机械手主要由手部、运动机构、控制系统三大部分组成。

手部用来抓持工件的部件，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。

运动机构，使手部完成各种转动，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。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意和方位的物体，需要6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般机械手有2~3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续的轨迹控制机械手。

2机械手概述

2.1机械手的概念和分类

它是一种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的作业，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。

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

2.2机械手的总体结构

本文设计的机械手主要包括机械手的旋转、大臂的伸缩、小臂的升降、手抓的松紧。

各关节均采用电磁阀作为驱动装置，在机械大臂伸缩和小臂的升降以及手抓的松紧环节都配有传感器，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及4关节联动控制。

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。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

2.3机械手工作原理

机械手在生产线上的任务是将工件从A处传送到B处。

根据外界情况，机械手在空间主要进行以下动作：

机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。

控制器检测上，下，左，右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。

2.4机械手的操作方式

机械手的操作方式分为手动、回原点、单步、单周期、自动五种工作方式，五种工作不仅能各自独立工作，还能按顺序实现他们之间的互相转换，转换过程中原状态保持，转换后按照新的工作方式进行。

（1）手动：

选择手动方式，按下手动按钮，结合限位开关，对各个动作进行单独控制。

如：

按下机械手下降按钮，机械手下降，松开机械手按钮，机械手停止下降，或者到位后，机械手停止下降，机械手只能在左限位和有限位才能下降中间不可以下降。

（2）回原点：

选择回原点方式，按下原点按钮，机械手以最快及最安全的路径回到原点位置停止。

如：

若机械手未夹物体时，以最快路径回到原点位置；若机械手夹了物体必须搬运到B点，在回到原点位置。

（3）单步：

选择单步方式，按一次启动按钮，机械手动作一个工步后自动停止。

（4）单周期：

选择单周期方式，按启动按钮，机械手动作一个周期后自动停止；在动作过程中，按停止按钮，机械手立即停止，在按启动按钮，机械手继续动作，机械手继续动作，一个周期后自动停止。

（5）自动：

选择自动方式，按启动方式，机械手周而复始的动作；在动作过程中，按停止按钮，机械手不立即停止等到当前一个周期结束才停止。

3机械手的工作方式

主程序中，SM0.0的常开触点一直闭合，公用程序是无条件执行的。

在手动方式，I2.0为ON，执行手动子程序。

在自动回原点方式，I2.1为ON，执行回原点子程序。

在其他3种工作方式执行自动子程序。

主程序如图3-1所示。

图3-1主程序图

其中公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。

如图3-2所示。

图3-2切换处理图

3.1手动工作方式

在手动工作方式，用I0.5~I1.2对应的6个按钮分别独立控制机械手的升、降、左行、右行、夹紧、松开。

图3-3是手动程序。

图3-3手动程序图

为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的联锁；

1）设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，以防止功能相反的两个输出同时为ON。

2）用限位开关I0.1～I0.4的常闭触点，限制机械手的移动围。

3）上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置时与别的物体碰撞。

4）只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。

3.2自动程序

机械手在最上面和最左边，且夹紧装置松开时，称为系统处于原点状态。

在进入自动（单步、单周期、连续）工作方式之前，系统应处于原点状态；如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，然后按下起动按钮I2.6，使系统自动返回原点状态。

在原点状态，顺序功能图中的初始步M0.0为ON，为进入单周期、连续、单步工作方式做好了准备。

单周期、单步和连续3种工作方式主要是用连续标志M0.7和转换允许标志M0.6来区分的。

自动程序如图附录一所示。

3.2.1单周期工作方式

在单周期工作方式，在初始状态按下起动按钮I2.6后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并留在初始步。

单周期工作方式，I2.2（单步）的常闭触点闭合，M0.6的线圈通电，允许转换。

如果满足原点条件，在初始步时按下起动按钮I2.6，在M2.0的起动电路中，M0.0、I2.6、M0.5和M0.6的常开触点均接通，使M2.0的线圈通电，系统进入下降步，Q0.0的线圈通电，机械手下降，碰到下限位开关I0.1时，转换到夹紧步M2.1，Q0.1被置位，夹紧电磁阀的线圈通电并保持。

同时接通延时定时器T37开始定时，1S后定时时间到工件被夹紧，转换条件T37满足，转换到步M2.2。

以后系统将这样一步一步工作下去。

在左行步M2.7，当机械手左行返回原点位置时，左限位开关I0.4变为1状态，因为连续工作标志M0.7为0状态，将返回M0.0，机械手停止运动。

3.2.2单步工作方式

在单步工作方式，I2.2为1状态，它的常闭触点断开，转换允许辅助继电器M0.6在一般情况下为0状态，不允许步与步之间的转换。

设初始步系统处于原点状态，M0.5和M0.0为1状态，按下起动按钮I2.6，M0.6变为1状态，使M2.0的起动电路接通，系统进入下降步。

放开起动按钮，M0.6变为0状态。

在下降步，Q0.0线圈通电，当下限位开关I0.1变为1状态时，与Q0.0的线圈串联的I0.1的常闭触点断开，使Q0.0的线圈断电，机械手停止下降。

I0.1的常开触点闭合后，如果没有按起动按钮，I2.6和M0.6处于0状态，不会转换到下一步。

一直要等到按下起动按钮，I2.6和M0.6变为1状态，M0.6的常开触点接通，转换条件I0.1才能使M2.1的起动电路接通，M2.1的线圈通电并自保持，系统才能由步M2.0进入步M2.1.以后在完成某一步的操作后，都必须按一次起动按钮，系统才能转换到下一步。

3.2.3连续工作方式

在连续工作方式，I2.4为1状态。

在初始步为活动步时按下起动按钮I2.6，M2.0变为1状态，机械手下降。

与此同时，控制连续工作的M0.7的线圈通电并自保持。

当机械手在步M2.7返回最左边时，I0.4为1状态，因为连续标志位M0.7为1状态，转换条件M0.7*I0.4满足，系统将返回步M2.0，反复连续的工作下去。

3.3自动回原点

在回原点工作方式，I2.1为ON。

按下起动按钮I2.6时，机械手可能处于任意状态，根据机械手当时所处的位置和夹紧装置的状态，如图3-4所示，可以分为3种情况：

一是夹紧装置松开，表明机械手没有夹持工件，应上升和左行，直接返回原点。

二是夹紧装置处于夹紧状态，机械手在最右边，此时Q0.1和I0.3均为1状态，应将工件搬运到B点后再返回原点位置。

三是夹紧装置处于夹紧状态，机械手不再最右边，此时Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态，首先要上行、右行、下降、和松开工件，将工件搬运到B点后再返回原点位置。

图3-4机械手当时所处的位置和夹紧装置的状态图

4PLC的I/O分配

I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出4类。

CPU分配给数字

I/O的模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。

地址分配必须遵循以下三条原则；

1）同种类型输入或输出点的模块数进行顺序编址；

2）某个模块的数字量I/O点如果不是8的整数倍，最后一个字节中未用的位不会分配给后续模块；

3）模拟量扩展模块以2点4字节递增方式来分配地址。

5PLC的外部接线图

S7200采用0.5~1.5平方毫米的导线，导线要尽量成对的使用，应将交流线、电流大且变化迅速的直流线与弱点信号线分开，干扰较严重时应设置浪涌抑制设备。

使用同一个电源，有同一个参考点的电路，其参考点只能有一个接地点。

将CPU为传感器和输入电路供电的DC24V电源M端子接地，可以提高抑制噪声能力。

其外部接线图如图5-1所示。

图5-1外部接线图

6结束语

基于PLC的机械手臂课程设计历时一周，首先给自己安排每天的任务，每天应该完成什么，这样才有效率，有成果。

在编写梯形图时遇到了许多不懂之处，在老师和同学的帮助指导下，才能顺利的完成这份课程设计。

本来以为自己对可编程控制器原理的知识掌握已经比较好，但是到做课程设计的时候才发现自己存在着许多不足，其中很多基础知识不够完善，很多知识掌握的不是很扎实，遇到一些疑点难点自己没有办法独自完成，往往顾了这边，那边又出现了问题感到非常棘手。

课程设计是一个理论与实践的过程，仅仅有理论是不够的，更重要的是动手操作能力，是我们所设计的实物。

这就需要我们考虑问题要仔细、周密、不能有丝毫大意，设计的同时加强了我和老师的交流，认识到知识的渊博度。

向教育指导我的老师及同学表示诚挚的感。

这次课程设计，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充了自己的应用能力和实践能力。

对学过的课本理论知识起到了温习作用。

机械手臂搬运加工采用PLC为控制核心结构合理、测试方法可靠，具有较强的灵活性，提高了设备运行的可靠性。

这个设计让我获益良多，只要用心学习，不怕困难，我们就能成功。

参考文献

[1]廖常初.PLC编程及其应用.:

机械工业,2008.

[2]俊秀.可编程控制器应用技术.:

化学工业,2008.

[3]郁汉琪.电气控制与可编程控制器应用技术.：

东南大学,2003.

[4]王阿根.电气可编程控制器及应用.:

清华大学,2007.

[5]汪志峰.可编程序控制器原理与应用[M].电子科技大学,2004

[6]常斗南.可编程序控制器机[M].械工业,2007

附录