多轴联动机械手PLC控制设计方案

多轴联动机械手PLC控制设计方案

1.1绪论

1.2课题背景

工业机械手（以下简称机械手）（见图1-1）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，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，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，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。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。

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。

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。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范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轨迹控制机械手等。

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式，能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第

一台机械手，它的结构是：机体上安装一回转长臂端部装有电磁铁的工件抓放机构控制系统是示教型的。1962年美国机械铸造公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现性机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转，俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标是通用机械手就是在这个基础上发展起来的。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学研联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。

德国及其制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输，焊接和设备的上下料等工作。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校，研究单位多达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535太。其中国定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，示1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止至1979年，机械手累计产量达56900太。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%-60%的速度在增长。使用机械手最多的使汽车工业，其次是电机电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在佳节言之。它没有微型电子计算机控制系统，感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手则能独立的完成工作过程的任务。他与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元中重要一环。

图1-1 机械手示意图

1.3课题的目的及意义

伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人

工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大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。

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在机械工业中。

应用多轴联动机械手的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

但是本文设计的多轴联动机械手是基于普通的工业机械手设计，并在其上添加了机械手手臂的旋转动作。这样的多轴联动机械手可以实现多条生产线间的传递。使得整体生产更加自动化、智能化。