机械手参考文献

设计（论文）题目: 机械手控制
学生姓名 DT 专业班级
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评阅人
2011年 04 月日
摘要
随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——机械手。

与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。

机械手是模仿着人手部的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求通过PLC系统控制实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

关键词：工业,机械手,自动化,PLC
Abstract
With the social and scientific and technological development, industrial production mode of operation is also undergoing a revolutionary change, from the workshop-style hand-labor, and gradually evolved into automation, intelligent production methods, human beings are increasingly unable to complete some of the production process, So there in order to meet the needs of the production of a special production tools - mechanical hand. At the same time there have been some new production activities in these production activities, there is a high risk of bodily harm grea ter in some areas unfit for human work, the robot is just to adapt to such work.
In today's large-scale manufacturing enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, attention to the production process in general the degree of automat ion, industrial robots, automated production line as an important member of gradually being recognized and adopted by enterprises. Industrial robot technology and applications to some extent, reflect the extent of a country's level of industrial automation, at present, industrial robot is mainly responsible for the welding, coating, handling and stacking, and labor intensity greatly repetitive work, work Way to teach the general way of reproduction.
Robot is modeled on the part of staffing the Department ac tion, according to a given program, track and control system required by PLC automatic capture, handling or operation of the automatic mechanical devices.
Keywords: industrial, mechanical hand, automation, PLC
目录
摘要 (2)
Abstract (3)
目录 (4)
第一章 PLC简介 (6)
1.1 PLC的定义 (6)
1.2 PLC的由来及发展 (7)
1.3 PLC的特点及用途 (7)
1.3.1 PLC具有以下几个主要特点 (8)
1.3.2 可编程控制器的应用领域 (8)
1.4 PLC的主要技术指标 (9)
1.5总体控制系统框图 (10)
第二章机械手简介 (11)
2.1 机械手的定义与分类 (11)
2.2 机械手应用及组成结构 (11)
2.3 机械手的发展趋势 (13)
2.4 机械手的工程应用 (13)
2.5机械手设计的要求及目的和意义 (14)
2.5.1 机械手的设计要求 (14)
2.5.2 机械手设计的目的和意义 (14)
第三章系统设计 (15)
3.1 功能 (15)
3.2 主令单元 (16)
3.2.1 编程元件 (16)
3.2.2 编程语言 (18)
3.2.2.1梯形图 (18)
3.2.2.2指令语句表 (18)
3.2.2.3 PLC的I/O接线图及控制系统外部电机原理图 (21)
第四章设计逻辑顺序功能图、梯形图、指令表程 (24)
4.1.1 自动控制程序的顺序功能图 (24)
4.1.2 自动控制程序的指令表 (25)
4.1.3 自动控制程序的梯形图 (27)
4.1.4 自动控制程序的设计说明 (29)
4.1.5 手动控制程序的指令表 (29)
4.1.6 手动控制程序的梯形图 (31)
4.1.7 手动控制程序说明 (34)
结束语 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
第一章 PLC简介
1.1 PLC的定义
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，所以美国电气制造商协会将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller）,简称PC。

但是个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，将用于逻辑控制的可编程控制叫做PLC（Programmable Logic Controller）.
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子
装置，它其实就是一台计算机，它采用可以编制程序的存储器，在其内部执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，它以接入式CPU为核心，通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备，都是很容易与工业控制系统形成一个整体，容易扩展其功能的。

可编程控制器是一种工业现场用计算机。

它是为工业环境下应用而设计的，工业环境一般办公环境有较大的区别。

由于PLC的特殊构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

为了能控制机械或生产过程，它要能很容易的与工业控制系统形成一个整体，这些都是个人计算机无法比拟的。

可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。

它能控制各种类型的工业设备及生产过程。

它的功能能够很容易地扩展，它的程序是可以根据控制对象的不同，让使用者来编制的。

也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合。

通过以上定义还可以了解到，相对一般意义上的计算机，可编程控制器不仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。

它实质上是经过一次开发的工业控制计算机。

从另一个方面来说，它是一种通用机，经过二次开发，它可以在任何具体的工业设备上使用。

它在很大程度上使的工业自动化设计从专业设计院走进工厂和矿山，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。

再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接
线简单等众多优点，可编程控制器在短短的30年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制领域获得了非常广泛的应用。

1.2 PLC的由来及发展
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），在美国通用汽车公司的自动装配线上使用，取得了巨大的成功。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。

例如，在世界第一台可编程控制器的诞生地美国，1982年的统计数字显示，大量应用可编程控制器的工业厂家占美国重点工业行业厂家总数的82%，可编程控制器的应用数量已位于众多的工业自控设备之首。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都的到了长足的发展。

1.3 PLC的特点及用途
1.3.1 PLC具有以下几个主要特点
（1）可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备非常关键的性能。

PLC由于采用大规模集成电路技术、严格的生产工艺，内部电路采取了输入输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化剧烈的环境下正常工作。

PLC的平均无故障时间可高达5~10万小时以上。

从PLC 的机外电路来说，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，故障率也就大大降低。

（2）功能完善、应用领域广
到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。

可以用于各种规模的工业控制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。

PLC所具有的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，PLC通讯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的非常容易。

（3）编程简单，易学易用
PLC采用和继电器电路图接近的梯形图语言，只用少量的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。

在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本对PLC进行编程。

当PLC联网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。

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提供了方便。

（4）系统安装简单、体积小、价格低
PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。

现代集成电路技术的广泛应用，功耗仅数瓦。

由于PLC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。

使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。

在集成电路技术和生产厂家越来越多的情况下，PLC
的价格也越来越低。

1.3.2 可编程控制器的应用领域
PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要可以归纳为以下几类：
（1）开关量的逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。

（2）模拟量控制
在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

（4）过程控制
过程控制是指对连续变化的量进行控制。

如对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

目前已广泛应用于冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合。

1.4 PLC的主要技术指标
PLC的性能指标较多，主要介绍与组成PLC控制系统关系较直接的几个。

（1）编程语言及指令功能
用户的PLC程序可以用梯形图语言、指令标语言、功能块图编写，梯形图语言在PLC中较为常见，梯形图语言一般在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便。

现在功能图语言的使用有上升趋势。

编程语言中还有一个内容是指令功能。

衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少；二是指令中有多少综合性指令。

一条综合性指令一般就能完成一项专门操作。

用户编制的程序完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令功能越多，编程越简单和方便，完成一定的控制任务越容易。

（2）输入输出点数
输入输出点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的最大数量，值得注意的是输入点数往往的大于输出点数的，且二者不能相互替代。

（3）扫描速度数
扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字用户程序所需的时间，通常以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。

（4）存储容量
存储容量是存放用户程序的存储器的容量。

通常用k来表示。

也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。

在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。

这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制，该存储器的容量越大，就可以编制出更复杂的程序。

（5）可扩展性
在现代工业生产中PLC的可扩展性也显的非常重要。

主要包括：
①输入输出点数的扩展；
②存储容量的扩展；
③联网功能的扩展；
④可扩展的模块数；
另外，可编程序控制器的可靠性、易操作性及经济性等功能指示也受用户的关注。

1.5总体控制系统框图
图 1.5.1P L C总体控制系统框图
对照图1.5.1本系统的中心控制器件是PLC。

主令元件单元有两个按钮，一个旋钮，一个急停开关组成。

检测单元由四个接近开关做传感器。

输出单元由6个接触器组成。

电源供给单元由一个电源隔离变压器主成。

执行单元为三台电机，一台电磁阀，一台机械手。

第二章机械手简介
2.1 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。

这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，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。

对动作复杂的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。

2.3 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。

2.4 机械手的工程应用
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。

同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以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的场合，应用得更为广泛。

在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

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大的特点，因此，越来越广范的得到应用，例如：
（1）机床加工工件的装卸，特别是自动化车床、组合机床上用得较为普遍。

（2）在装配作业中应用广范，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

（3）可以危险场合下工作，如军工品的装卸，危险品及有害物品的搬运。

2.5机械手设计的要求及目的和意义
2.5.1 机械手的设计要求
本课题设计的机械手主要是模拟工业送料机械手为例，主要实现以下几个功能:
机械手向前、后、左、右运动和上升下降，这个主要是采用电动机的正反转来实现；
机械手手指的夹紧与松开，主要采用电磁阀控制气缸；
机械手的手动与自动运行的转换，由开关的断开与闭合来决定。

机械手的紧急，同时有灯光闪烁报警，由开关的断开与闭合来决定，报警灯闪烁由定时器循环定时来实现。

2.5.2 机械手设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，机械手将被逐步运用到工业中，以减少人为因素造成的废次品率和在恶劣的环境下人工无法完成的工作，以及在危险场合下代替人的工作，以减少人身伤害事故发生率。

它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在结构和性能上兼有人和机器人的部分特点，如：机械手体现的人的灵活性和机器人的精确性。

第三章系统设计
3.1 功能
● 控制规模：48点
● 内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K
● CPU运算处理速度0.08μS/基本指令P
● 在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块。