机械手臂的控制设计

目录

1 引言 (1)

2 机械手概述 (2)

2.1 机械手的概念和分类 (2)

2.2机械手的总体结构 (2)

2.3机械手工作原理 (2)

2.4机械手的操作方式 (3)

3 机械手的工作方式 (4)

3.1手动工作方式 (5)

3.2自动程序 (6)

3.2.1单周期工作方式 (7)

3.2.2单步工作方式 (7)

3.2.3连续工作方式 (7)

3.3 自动回原点 (8)

4 PLC的I/O分配 (10)

5 PLC的外部接线图 (11)

6 结束语 (12)

参考文献 (13)

附录 (14)

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。