(机械制造行业)机械手的控制设计

（机械制造行业）机械手的
控制设计
摘要
机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，广泛应用于工业生产和其他领域。

可编程控制器（PLC）已在工业生产过程中得到广泛的应用。

论文以西门子PLC为基础，介绍PLC在机械手搬运控制中的应用，设计了一套可行的机械手控制系统，并给出了详细的PLC程序。

此机械运用到了步进电机、直流电机驱动和气压传动，能够使机械手满足控制要求。

介绍了机械手的动作顺序及其应用PLC进行控制的设计方法，建立了相应的原理图，确定了PLC的输入∕输出量，建立了PLC控制的硬件接线图及相应的控制流程图。

通过PLC的软件程序控制各电磁阀，驱动气缸动作，给出一定的脉冲驱动步进电机，从而控制机械手的动作。

本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键字：机械手，PLC，驱动
此处贴章节题目：
第一章绪论
1.1研究背景
1.2研究目的和意义
1.3国内外研究现状
1.4研究内容
第二章相关理论概述
2.1机械手的定义及分类
2.2机械手的应用及组成机构2.3机械手的发展趋势
第三章机械手的结构设计
3.1机械手的结构概述
3.2机械手的各部分结构
3.3本设计的总体要求
第四章机械手的硬件设计及驱动4.1气压传动
4.2步进电机的驱动
4.3直流电机的驱动
第五章机械手的控制系统设计5.1机械手的功能介绍
5.2机械手的控制
5.3PLC的程序设计
5.4PLC程序设计的总结第六章结论
第一章绪论
1.1研究背景
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。

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。

机械手发展较快，应用较多。

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。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在较为复杂的环境下工作；具有编程简单，易于掌握；设计安装容易，维护工作量少；功能强、通用性好；开发周期短，功耗小等优点。

本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。

可编程序控制器PLC控制的物料搬运机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。

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研究目的和意义
随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械手的诞生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。

工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性
生产由人工操作环节，尤其是在一些危险性大的行业生产中应用较为实用，如化工生产有存在有毒物质的；如核电厂等存在放射性物质的地方；如烟花等易燃易暴的生产场合等生产环境非常适合使用机械手进行生产。

在机械行业中（铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等）应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机械手来搬运上下料材；机械零件的装配生产线中，利用机械手抓零件与另一零件装配在一起；如啤酒生产中用机械手把盖压在瓶子上等等。

以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进安全生产、提高产品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。

1.3国内外研究现状
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。

1.3.1国内研究现状
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。

1.3.2国外研究现状
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。

1.4研究内容
本文第一章是绪论，介绍了论文的研究背景，目的意义及相关的国内情况。

第二章是相关理论的阐述，包括的介绍。

第三章分析了机械手的结构概述、各部分结构和总体要求。

第四章阐述了机械手的硬件设计及驱动。

第五章阐述了机械手的控制系统设计。

第六章是结论，概括了全文的主要观点。

第二章相关理论概述
2.1机械手的定义及分类
工业机械手是五十年代末才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。

随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时，大大提高了劳动生产率。

但数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。

前者费时费工、效率低;后者因设计复杂，需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。

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“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。

2.2机械手的应用及组成机构
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，直流电动机驱动手腕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
2.4可编程逻辑控制器（PLC）
可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其外围设备，都易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

2.4.1PLC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。

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。

2.4.2PLC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
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。

根据设计要求，最终选择西门子的S7-200系列的PLC,其型号为：S7-CPU226。

2.4.3西门子—S7-200系列PLC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。

因为本设计采用的是S7-200系列的PLC，虽然PLC的种类很多，但其结构和功能都很相似，那就用此PLC来说明PLC的结构功能。

PLC主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置和电源等组成。

基本结构如图所示：
图2.1PLC的基本机构
1、CPU
CPU是PLC的控制中枢。

CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。

CPU在系统的监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映象寄存区域。

2、存储器
PLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

3、基本I/O接口单元
PLC内部输入电路的作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。

PLC外部输出电路的作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动外部的负载（如接触器线圈、电磁阀、指示灯等）。

4、外设接口
外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。

5、电源
电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电源。

外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源，并为外部输入元件提供24V直流电源，而驱动PLC负载的电源由用户提供。

第三章机械手的结构设计
3.1机械手的结构概述
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。

由于应用场合的不同，机械手结构形式有多种多
样，在组成部分的驱动方式、传动原理和机械结构也有各种不同的类型。

通常根据机械手各部分的功能，其机械部分主要由下列各部分构成：
1、手部
机械手为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手抓或末端操作器，是来握持工件或工具的部件。

本设计用的是齿轮齿条式夹持器。

2、手腕
手腕是联接手部和手臂的部分，其作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂。

手腕往往有三种运动方式：手腕旋转、手腕弯曲和手腕侧摆，考虑本设计的要求，设计用的是一个步进电机控制可±180度旋转的手腕。

3、臂部
臂部是联接机身和手腕的部分，其作用是改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，并将各种载荷传递到机座。

机械手的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的部件，如传到机构、驱动机构、导向定位装置、支承联接和位置检测元件等。

臂部可分为：伸缩型臂部结构、转动伸缩型臂部结构、屈伸型臂部结构、其他专用的机械传动臂部结构。

本设计共用了三个臂，有伸缩型臂部结构和转动型臂部结构。

可进行上下移动和前后伸缩移动以及水平旋转运动。

4、机身
机身是机械手的基础部分，起支撑作用。

固定式机械手直接联接在地面基础上，移动式机械手则安装在移动机构上。

常用的机身结构有：升降回转型机身结构、俯仰型机身结构、直移型机身结构、类人机器人机身结构。

本设计采用的是升降回转型机身结构的机械手。