基于PLC的工业机械手控制设计样本.doc

基于PLC工业机械手控制设计
专业：数控设备应用与维护 姓名：向勇利
指引教师：尹存涛
摘要:在当今大规模制造业中，公司为提高生产效率，保障产品质量，普遍注重生产过程自动化限度，工业机器人作为自动化生产线上重要成员，逐渐被公司所认同并采用。工业机器人技术水平和应用限度在一定限度上反映了一种国家工业自动化水平，当前，工业机器人重要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大工作，工作方式普通采用示教再现方式。
机械手是模仿着人手部某些动作，按照给定程序、轨迹和规定通过PLC系统控制实现自动抓取、搬运或操作自动机械装置。
核心词：工业机械手；控制；PLC

目 录
第1章 PLC简介 1
1.1 PLC定义 1
1.2 PLC由来及发展 2
1.3 PLC特点及用途 3
1.4 PLC重要技术指标 4
1.5总体控制系统框图 15
第2章 工业机械手简介 16
2.1机械手定义与分类 16
2.2机械手应用及构成构造 16
2.3机械手发展趋势 18
2.4机械手工程应用 18
2.5机械手设计规定及意义 19
第3章 机械手设计方案 21
3.1构造示意图 21
3.2机械手动作顺序 22
3.3 PLC选型及I／O接线图 24
3.4 PLC I／O地址分派表 25
第4章 机械手PLC设计 26
4.1自动控制程序梯形图及阐明 26
4.2手动控制程序梯形图及阐明 29
结束语 31
致 谢 33
参照文献 34

第1章 PLC简介
1.1 PLC定义
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它具备了模仿量控制、过程控制以及远程通信等强大功能，因此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数字运算操作电子装置，它其实就是一台计算机，它采用可以编制程序存储器，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指令，它以接入式CPU为核心，通过数字式或模仿式输入和输出，控制各种类型机械或生产过程。PLC及其关于外围设备，都是很容易与工业控制系统形成一种整体，容易扩展其功能。
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，工业环境普通办公环境有较大区别。由于PLC特殊构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化激烈环境下正常工作。为了能控制机械或生产过程，它要能很容易与工业控制系统形成一种整体，这些都是个人计算机无法比拟。
可编程控制器是一种通用工业控制计算机。它能控制各种类型工业设备及生产过程。它功能可以很容易地扩展，它程序是可以依照控制对象不同，让使用者来编制。也就是说，可编程控制器较其此前工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具备更大灵活性，它可以以便地应用在各种场合。
通过以上定义还可以理解到，相对普通意义上计算机，可编程控制器不但具备计算机内核，它还配备了许多使其合用于工业控制器件。它实质上是通过一次开发工业控制计算机。从另一种方面来说，它是一种通用机，通过二次开发，它可以在任何详细工业设备上使用。它在很大限度上使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，安装接线简朴等众多长处，可编程控制器在短短30年中获得了突飞猛进发展，在工业控制领域获得了非常广泛应用。
1.2 PLC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自动装配线上使用，获得了巨大成功。20世纪70年代初浮现了微解决器。人们不久将其引入可编程控制器，使PLC增长了运算、数据传送及解决等功能，成为真正具备计算机特性工业控制装置。为了以便熟悉继电器、接触器系统工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似梯形图作为重要编程语言，并将参加运算及解决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，使其功能发生了奔腾。更高运算速度、超小型体积、更可靠工业抗干扰设计、模仿量运算、PID功能及极高性价比奠定了它在当代工业中地位。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应用。例如，在世界第一台可编程控制器诞生地美国，1982年记录数字显示，大量应用可编程控制器工业厂家占美国重点工业行业厂家总数82%，可编程控制器应用数量已位于众多工业自控设备之首。这个时期可编程控制器发展特点是大规模、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。这个阶段另一种特点是世界上生产可编程控制器国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器生产厂家已闻名于全世界。
20世纪末期，可编程控制器发展特点是更加适应于当代工业控制需要。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，诞生了各种各样特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样控制场合；从产品配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器工业控制设备配套更加容易。当前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域应用都到了长足发展。
1.3 PLC特点及用途
1.3.1 PLC具备如下几种重要特点
一、可靠性高、抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备非常核心性能。PLC由于采用大规模集成电路技术、严格生产工艺，内部电路采用了输入输出信号光电隔离、滤波、电源屏蔽、稳压和保护、故障诊断等先进抗干扰技术，具备很高可靠性，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温暖变化激烈环境下正常工作。PLC平均无端障时间可高达5~10万小时以上。从PLC机外电路来说，PLC构成控制系统，和同等规模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，故障率也就大大减少。
二、功能完善、应用领域广
到当前为止PLC已经形成各种规模、系列化产品。可以用于各种规模工业控制场合，并能完毕决大多数工业控制任务。PLC所具备完善数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC功能单元大量涌现，PLC通讯能力增强及人机界面技术发展，使用PLC构成各种控制系统变非常容易。
三、编程简朴，易学易用
PLC采用和继电器电路图接近梯形图语言，只用少量开关量逻辑控制指令就可以以便地实现继电器电路功能。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人使用计算机从事工业控制提供了以便。
四、系统安装简朴、体积小、价格低
PLC在存储逻辑代替接线逻辑、采用模块化构造，大大地减少了控制设备外部接线，使控制系统设计及建设周期大大缩短了。当代集成电路技术广泛应用，功耗仅数瓦。由于PLC体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化抱负控制设备。使得PLC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状况下，PLC价格也越来越低。
1.3.2 可编程控制器应用领域
PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运送、环保及文化娱乐等各个行业应用也越来越广泛，重要可以归纳为如下几类：
一、开关量逻辑控制
可编程控制器可实现逻辑控制、顺序控制，也可用于单台设备控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。
二、模仿量控制
在工业生产过程中，有许多持续变化量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模仿量。为了使可编程控制器解决模仿量，必要实现模仿量（Analog）和数字量（Digital）之间A/D转换及D/A转换。
三、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动控制。从控制机构配备来说，初期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，当前普通使用专用运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机单轴或多轴位置控制模块。
四、过程控制
过程控制是指对持续变化量进行控制。如对温度、压力、流量等模仿量闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完毕闭环控制。当前已广泛应用于冶金、化工、热解决、锅炉控制等场合。
1.4 PLC重要技术指标
PLC性能指标较多，重要简介与构成PLC控制系统关系较直接几种。
1.4.1 编程元件、语言及指令功能
顾客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中较为常用，梯形图语言普通在计算机屏幕上编辑，使用起来简朴以便。
当前功能图语言使用有上升趋势。编程语言中尚有一种内容是指令功能。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。一条综合性指令普通就能完毕一项专门操作。顾客编制程序完毕控制任务，取决于PLC指令多少，指令功能越多，编程越简朴和以便，完毕一定控制任务越容易。
一、编程元件
PLC是采用软件编制程序来实现控制规定。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定期器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。
PLC内部这些继电器作用和继电接触控制系统中使用继电器十分相似，也有“线囤”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器存储单元。当写入该单元逻辑状态为“1”时，则表达相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。因此，内部这些继电器称之为“软”继电器。
二、编程语言
所谓程序编制，就是顾客依照控制对象规定，运用PLC厂家提供程序编制语言，将一种控制规定描述出来过程。PLC最惯用编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者经常联合使用。
（一）梯形图
梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来图形语言。它是借助类似于继电器动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，依照控制规定联接而成表达PLC输入和输出之间逻辑关系图形，直6观易懂。梯形图中惯用图形号分别表达PLC编程元件动断和动舍接点；表达它们线圈。梯形图中编程元件种类用图形符号及标注字母或数加以区别。
梯形圈设计应注意如下三点：
1、梯形图按从左到右、自上而下顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点串、并联接，最后是线圈与右母线相联．
2、梯形图中每个梯级流过6勺不是物理电流，而是“概念电流竹，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述顾客程序执行中应满足线圈接通条件。
3、输入继电器用于接受外部输入信号，而不能由PLC内部其他继电器触点来驱动。因而，梯形图中只浮现输入继电器触点，而不浮现其线圈。输出继电器则输出程序执行成果给外部输心设备，当梯形图中输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口继电器，晶体管或晶闸管才干实现。输出继电器触点也可供内部编程使用。
（二）指令语句表
指令语句表是一种用指令助记符采编制PLC程序语言，它类似于计算机汇编语言，但比汇编语言易懂易学，若干条指令构成程序就是指令语句表。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三某些构成。
基本位操作指令
所谓基本位逻辑指令是指指令操作数为“位”一类指令。它涉及位加载指令（LD/LDN）、触点串联指令（A/AN）、触点并联指令（O/ON）、块串联指令（ALD）、块并联指令（OLD）以及输出指令（=）、堆栈指令（LPS、LRD、LPP）、置位/复位指令（S/R）、正/负脉冲指令（P/N）、空操作指令（NOP）等。
1．位加载指令、输出指令
位加载指令（LD/LDN）、输出指令（=）能构成最基本、最简朴控制。
LD（LOAD）：位加载指令，相应梯形图从左侧母线开始，连接常开触点；
LDN（LOAD NOT）：位取用指令，相应梯形图从左侧母线开始，连接常闭触点；
=（OUT）：线圈置“1”，输出。
位加载指令（LD/LDN）用于与左母线连接常开触点（LD）、常闭触点（LDN）。它相称于继电器控制电路与电源连接触点。输出指令（=）用于普通线圈输出，相称于继电器控制电路普通线圈。
【例1】位加载指令（LD/LDN）、输出指令（=）使用实例，如图1.1所示。
程序运营成果：实现Q0.0点动控制。即：按钮SB接PLCI0.0端子，Q0.0如接一接触器并控制电动机电源，则按下SB电动机运营，松开按钮SB电动机停止运营。

图1.1 加载好输出指令使用示例
2．触点串联指令、触点并联指令、块串联指令、块并联指令
触点串联指令（A/AN）、触点并联指令（O/ON）、块串联指令（ALD）、块并联指令（OLD）与位取用指令（LD/LDN）、输出指令（=）一起习惯称为位基本指令。
A（AND）：“与”操作指令，用于常开触点串联；
AN（AND NOT）：“与”操作指令，用于常闭触点串联；
O（OR）：“或”操作指令，用于常开触点并联；
ON（OR NOT）：“或”操作指令，用于常闭触点并联。
触点串联指令（A/AN）用于单个触点串联。当单个触点与前面触点或支路串联时，使用触点串联指令（A/AN）。
触点并联指令（O/ON）用于单个触点并联。当单个触点与上面触点或支路并联时，使用触点并联指令（O/ON）。
3．块串联指令、块并联指令
块串联指令（ALD）、块并联指令（OLD）用于支路串联和并联。
ALD：用于支路与前面支路或触点串联；
如图1.2所示

图1.2 长动控制停止按钮接常闭梯形图
OLD：用于支路与上面支路或触点并联。
它们为无操作元件指令，又习惯称为无器件编号独立指令。这种无操作元件指令只用于表达某些程序间关系等。
【例2】块串联指令（ALD）、块并联指令（OLD）使用示例，如图1.3所示。

图1.3 ALD、OLD使用示例
需要注意是，在串并联支路起点（第一种触点），在语句表编程时，要使用LD/LDN指令，如图1.3中网络1M0.0触点，网络2T37触点。这是LD/LDN指令语句表编程另一惯用之处。
4．栈操作指令
栈操作指令涉及进栈（LPS）、读栈（LRD）、出栈（又称弹栈）指令（LPP）。
LPS（Logic Push）：逻辑堆栈进栈操作指令；
LRD（Logic Read）：逻辑堆栈读栈操作指令；
LPP（Logic Pop）：逻辑堆栈出栈操作指令。
S7-200采用模仿栈构造，用来存储逻辑运算成果以及保存断点地址，因此其操作又称为逻辑栈操作。在此，仅讨论断点保护功能栈操作概念。堆栈操作时将断点地址压入栈区，栈区内容自动下移（栈底内容丢失）。读栈操作时将存储器栈区顶部内容读入程序地址指针寄存器，栈区内容保持不变。弹栈操作时，栈内容依次按照后进先出原则弹出，将栈顶部内容弹入程序地址指针寄存器，栈内容依次上移。栈操作指令对栈区影响如图1.4所示。

图1.4栈操作过程示意

图1.5线圈输出三种形式
网络1：并联输出 网络2：持续输出 网络3：复合输出
栈操作指令用于复合输出语句表编程。关于复合输出等几种线圈输出形式及其语句表如图1.5所示。栈操作指令均为无操作元件指令。各种输出方式编程如下：
网络1 网络3
LD I0.0 LD I0.0
= Q0.0 LPS
= Q0.1 A I0.1
= Q0.2 = Q0.0
网络2 LRD
LD I0.0 A I0.2
= Q0.0 = Q0.1
A I0.1 LPP
= Q0.1 A I0.3
A I0.2 = Q0.2
= Q0.2
【例3】栈操作指令示例，如图1.6所示。
逻辑堆栈指令（LPS）可以嵌套使用，最多可以嵌套9层。为保证程序地址指针不发生错误，进栈和弹栈指令必要成对使用，最后一次读栈应使用弹栈指令。
图1.6栈操作指令示例
基本位操作指令是PLC控制系统设计编程基本，应当纯熟掌握和运用，为了便于使用，现将基本位操作指令作用汇总于表1.7中。
表1.7基本位操作指令
指令名称
STL
LAD
作 用
加载常开
LD

与左母线相连、以及串并联支路第一种常开触点
加载常闭
LDN

与左母线相连、以及串并联支路第一种常闭触点
常开串联
A

单个常开触点与其她触点或支路串联
常闭串联
AN

单个常闭触点与其她触点或支路串联
常开并联
O

单个常开触点与其她触点或支路并联
常闭并联
ON

单个常闭触点与其她触点或支路并联
块串联
ALD

支路与前面支路或触点串联
块并联
OLD

支路与上面支路或触点并联
线圈输出
=

普通线圈输出，如Q、M
进栈
LPS
——
复合输出进栈
读栈
LRD
——
复合输出读栈
出栈
LPP
——
复合输出出栈
5．置位/复位指令

图1.8 置位/复位指令梯形图格式
普通线圈获得能量流时，线圈得电（存储器置“1”），能量流不能到达时，线圈断电（存储器置“0”）。S7-200系列PLC采用了线圈通、断电来描述存储器置位、复位，置位/复位指令则是将线圈设计成置位、复位两种状态。使用置位指令时，当线圈受到脉冲触发时线圈通电锁存（存储器置“1”）；使用复位指令时，当受到脉冲触发时线圈断电解锁存（存储器置“0”）。换句话说，置位指令使线圈通电并自锁，复位指令使通电线圈自锁解除。S7-200系列PLC为了增强指令功能，将置位、复位指令位数扩展为N位。
置位、复位指令语句表格式涉及：
S bit N：将bit位开始N个持续线圈置位；
R bit N：将bit位开始N个持续线圈复位。
置位/复位指令梯形图格式如图1.8所示。
【例4】置位/复位指令示例，如图1.9所示。置位/复位指令使用时需注意：
1．置位网络与复位网络间可以插入其她程序；
2．置位指令、复位指令普通要配对使用；
3．复位指令也可以用于其她元件复位，如保持型定期器、计数器等。

图1.9置位/复位指令示例
6. 取非指令和空操作指令
①取非指令（NOT）
取非指令用于对存储器位取反操作，变化能量流状态。指令格式梯形图形式用触点形式表达，如触点左侧为1时，右侧为0，能量流不能到达右侧，输出无效；反之，如触点左侧为0时，右侧为1，能量流可以向右侧传递，其语句表格式为“NOT”。
②空操作指令（NOP）
空操作指令起增长程序容量作用。使用空操作指令，将稍微延长扫描周期时间，但不会影响顾客程序执行，不会使能量流断开。
指令格式为：NOP N。其中，N为执行空操作指令次数。
梯形图格式用指令盒形式。
③AENO/ENO指令
梯形图指令盒指令右侧输出连线为使能输出端ENO用于指令盒或输出线圈串联（与逻辑），不串联元件时，作为指令行结束。
AENO指令（And Eno）作用是和前面指令盒输出端ENO串联。AENO指令只能在语句表中使用。
7.脉冲指令
脉冲指令用于在某信号上升沿或下降沿时产生一种周期脉冲信号，从而使信号变窄。指令格式如表1.10所示。
表1.10 脉冲指令格式
LAD
STL
阐明

EU
上升沿，无操作元件

ED
下降沿，无操作元件

【5】脉冲指令示例，如图1.11所示。

（a） （b）
图1.11脉冲指令使用示例
其语句表如下：
LD
I0.0
LD
M0.0
LPS

S
Q0.0,1
EU

LD
M0.1
=
M0.0
S
Q0.1,1
LPP

LD
I0.2
ED

R
Q0.0,2
=
M0.0

阐明如下：
当I0.0置1时，其上升沿经正跳变指令EU使M0.0置1一种扫描周期T，使Q0.0置位；当I0.0由1→0时，浮现下降沿，经负跳变指令ED使M0.1置1一种扫描周期T，使Q0.1置位。当I0.1置1时，Q0.0、Q0.1复位置0。
1.4.2输入输出点数
输入输出点数是PLC可以接受输入开关信号和输出开关信号最大数量，值得注意是输入点数往往不不大于输出点数，且两者不能互相代替。
1.4.3扫描速度数
扫描速度数是指PLC扫描1k（1k=1024）字顾客程序所需时间，普通以ms/k字为单位，扫描速度越快越好。
1.4.4存储容量
存储容量是存储顾客程序存储器容量。通惯用k来表达。也有PLC直接用所能存储程序量表达。在编制PLC程序时，需要用到大量寄存器来存储变量、中间成果、保持数据、定期计数、模块设立和各种标志位等信息。这些寄存器多少，直接关系到程序编制，该存储器容量越大，就可以编制出更复杂程序。
1.4.5可扩展性
在当代工业生产中PLC可扩展性也显非常重要。重要涉及：
①输入输出点数扩展；
②存储容量扩展；
③联网功能扩展；
④可扩展模块数；
此外，可编程序控制器可靠性、易操作性及经济性等功能批示也受顾客关注。
1.5总体控制系统框图

图1.12 PLC总体控制系统框图
对照图1.12本系统中心控制器件是PLC。主令元件单元有两个按钮，一种旋钮，一种急停开关构成。检测单元由四个接近开关做传感器。输出单元由6个接触器构成。电源供应单元由一种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2章 工业机械手简介
2.1机械手定义与分类
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动多功能机器，它有各种自由度，可用来搬运物体以完毕在各个不同环境中工作。
机械手迅速发展是由于它积极作用正日益为人们所结识。其一，它能某些代替人工操作；其二，它能按照生产工艺规定，遵循一定程序、时间和位置来完毕工件传送和装卸；其三，它能操作必要机具进行焊接和装配。因而，它能大大地改进工人劳动条件，明显地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化步伐。因而，受到各先进工业国家注重，并投入了大量物力和财力加以研究和应用。特别在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。
机械手普通分为三类。第一类是不需要人工操作通用机械手，它是一种独立不附属于某一主机装置。它可以依照任务需要编制程序，以完毕各项规定工作。它特点是除具备普通机械物理性能外，还具备通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机。它来源于原子、军事工业，先是通过操作机来完毕特定作业，日后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，重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，由主机驱动，除少数外，工作程序普通是固定，因而是专用。本项目规定设计机械手模型可归为第一类，即通用机械手。
2.2机械手应用及构成构造
当前工业机械手重要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、锻造、热解决等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展需要。
在国内重要是发展各方面机械手，逐渐扩大应用范畴，以减轻劳动强度，改进作业条件。在应用专用机械手同步，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，以及用于不同类型夹紧机构，设计成典型通用机构，以便依照不同作业规定，选用不同典型部件，即可构成不同用途机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用范畴。同步要提高速度，减少冲击，正拟定位，以更好地发挥机械手作用。
机械手重要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。
执行机构涉及手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部构造系统模仿人手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可依照夾持对象形状和大小配备各种形状和尺寸夹头，以适应操作需要。本设计采用二指构造。手臂作用是引导手指精确地抓住工件，并运送到所需要位置上。为了使机械手可以对的地工作，手臂三个自由度都需要精准地定位。总之，机械手运动离不开直线移动和转动二种，因而它采用执行机构重要是直线液压缸、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机架。
驱动机构重要有四种：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。液压驱动重要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所采用元件为气压缸、气马达、气阀等。普通采用4～6个大气压，个别达到8～10个大气压。本设计手爪某些采用气压驱动。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底盘旋转运动。机械驱动只合用于动作固定场合。
机械手控制要素涉及工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手控制分为点位控制和持续轨迹控制两种，当前以点位控制为主，占90％以上。
控制系统可以依照动作规定，设计采用数字顺序控制，它一方面要编制程序加以储存，然后再依照规定程序，控制机械手工作。对动作复杂机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微解决机控制系统。
本设计控制系统采用小型可编程控制器实现，具备编程简朴、修改容易、可靠性高等。
2.3机械手发展趋势
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，通过40近年发展，当前已经成为制造业生产自动化中重要机电设备。当前，机械手技术有了新发展：浮现了仿人型机械手、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（不但可以进行事先设定动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物移动，作业顺序规划，有效动态学习等）。机械手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种发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械构造向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机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作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：当前在某些机种方面，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设计制造技术，解决了控制驱动系统设计和配备，软件设计和编制等核心技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备全套自动通信、协调控制技术；在基本元件方面，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，国内已经具备了独立自主发展中华人民共和国机械手技术基本。
2.4机械手工程应用
在当代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出主题。随着工业当代化进一步发展,自动化已经成为当代公司中重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同步，当代生产中，存在着各种各样生产环境，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浮现一项新技术，是当代控制理论与工业生产自动化实践相结合产物，并以成为当代机械制造生产系统中一种重要构成某些。工业机械手是提高生产过程自动化、改进劳动条件、提高产品质量和生产效率有效手段之一。特别在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。在国内，近几年来也有较快发展，并获得一定效果，受到机械工业和铁路工业部门注重。
机械手虽然当前还不如人手那样灵活，但它具备能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物力量比人手大特点，因而，越来越广范得到应用，例如：
（1）机床加工工件装卸，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，如军工品装卸，危险品及有害物品搬运。
2.5机械手设计规定及意义
2.5.1 机械手设计规定
本课题设计机械手重要是模仿工业送料机械手为例，重要实现如下几种功能:
机械手下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作，这个重要是采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完毕；
机械手手指夹紧与松开，重要用单线圈二位电磁阀推动液压缸完毕，线圈通电时执行夹紧工作，断电时执行放松动作；
机械手上升、下降、左移、右移、动作转换靠限位开关来控制，而夹紧、放松动作转换是由时间继电器来控制；
机械手手动与自动运营转换，由开关断开与闭合来决定。
2.5.2 机械手设计意义
随着科学技术发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、
冲压、热解决、机械加工、装配、检查、喷漆、电镀等工种均有应用实例。其他部门，如：轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
在机械工业中，应用机械手意义可言概括如下：
1.以提高生产过程自动化限度
应用机械手，有助于实现材料传送、工件装卸、刀具更换以及机器装配等
自动化限度，从而可以提高劳动生产率和减少生产成本。
2.以改进劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪音、臭味、有放射性或其她毒性污染以及工
件空间狭窄场合中，用人手直接操作是有危险或主线不也许，而应用机械手即可某些或所有代替人安全地完毕作业，使劳动条件得以改进。
在某些简朴、重复，特别是较笨重操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而导致人身事故。
3.可以减轻人力，并便于有节奏生产
应用机械手代替人手进行工作，这事直接减少人力一种侧面，同步由于应用机械手可以持续工作，这事减少人力另一种侧面。因而，在自动化机床综合加工自动线上，当前几乎都装有机械手，以减少人力和更精确控制生产地节拍，便于有节奏进行工作生产。
综上所述，有效应用机械手，是发展机械工业必然趋势。

第3章 机械手设计方案
3.1构造示意图

图3.1 机械手构造示意图
如图3.1所示机械手所有动作均采用电液控制、液压驱动。它上升／下降和左移／右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完毕。当某个电磁阀线圈通电，就始终保持当前机械动作，直到相反动作线圈通电为止。例如,当下降电磁阀线圈通电后，机械手下降，虽然线圈再断电，仍保持当前下降动作状态，直到上升电磁阀线圈通电为止。机械手夹紧／放松采用单线圈二位电磁阀推动液压缸完毕，线圈通电时执行夹紧工作，断电时执行放松动作。为了使动作精确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行上升、下降、左行、右行等动作限位，并给出了动作到位信号。此外，还安装了光电开关SP，负责监测工作台B上工件与否已移走，从而产生无工件信号，为下一种工件下放做好准备。
3.2机械手动作顺序

图3.2机械手动作顺序示意图
如图3.2所示机械手初始位置在原位,按下启动按钮后,机械手将依次完毕：下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作，实现机械手一种周期动作。机械手上升、下降、左移、右移动作转换靠限位开关来控制，而夹紧、放松动作转换是由时间继电器来控制。为了保证安全，机械手右移到位后，必要在工作台B上无工件时才干下降。若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，则机械手应自动暂停等待。为此设立了一只光电开关，以检测“无工件”信号。工作台A、B上工件传送不用PLC控制；机械手规定按一定顺序动作，其流程图如图3.3所示。

图3.3机械手动作顺序流程图
启动时，机械手从原点开始按顺序动作；停止时，机械手停止在现行工步上；重新启动时，机械手按停止前动作继续进行。
为满足生产规定，机械手设立手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周和持续工作方式。手动工作方式：运用按钮对机械手每一步动作单独进行控制，例如，按“上升”按钮，机械手上升；按“下降”按钮， 机械手下降。 此种工作方式可使机械手置原位。单步工作方式：从原点开始，按自动工作循环工序， 每按一下启动按钮，机械手完毕一步动作后自动停止。单周期工作方式：按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完毕一种周期动作后，停在原位。持续工作方式：机构在原位时，按下启动按钮，机构自动持续地执行周期动作。当按下停止按钮时，机械手保持当前状态。重新恢复后机械手按停止前动作继续进行。
3.3 PLC选型及I／O接线图
依照控制规定，PLC控制系统选用西门子公司S7-200系列CPU214和EM221，其I／O端子接线图如图3.4所示。
图3.4 I／O端子接线图

3.4 PLC I／O地址分派表
依照控制规定，PLC I/O地址分派及功能描述如表3.5所示。
表3.5 PLC I／O地址分派表
外部设备
I/O
功能描述
外部设备
I/O
功能描述
SB1
I0.0
启动
SB4
I1.4
上升
SQ2
I0.1
下限
SB5
I1.5
左移
SQ1
I0.2
上限
SB6
I2.0
右移
SQ4
I0.3
右限
SB7
I2.1
加快
SQ3
I0.4
左限
SB8
I2.2
放松
SP
I0.5
无工件检测
SB9
I2.3
复位
SB2
I0.6
停止
YV2
Q0.0
下降
SA
I0.7
手动
YV5
Q0.1
加快
SA
I1.0
单步
YV1
Q0.2
上升
SA
I1.1
单周
YV4
Q0.3
右移
SA
I1.2
持续
YV3
Q0.4
左移
SB3
I1.3
下降
HL
Q0.5
原位显示
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第4章 机械手PLC设计
4.1自动控制程序梯形图及阐明

图4.1自动操作梯形图程序
自动操作程序。由于自动操作动作较复杂，不容易直接设计出梯形图，因而可以先画出自动操作流程图，用以表白动作顺序和转换条件，然后依照所采用控制办法，设计梯形图就比较以便了。
机械手自动操作流程图如图3.3所示。图中矩形方框表达其自动工作循环过程中一种“工步”，方框中用文字表达该步编号。方框右边画出该步动作执行元件，相邻两工步之间可以用有向线段连接，表白转换方向，有向线段上小横线表达转换条件，当转换条件得到满足时，便从上一工步转到下一工步。
为保证运营可靠性，在执行夹紧和放松动作时，分别用定期器T37和定期器T38作为转换条件，并采用品有保持功能继电器(M0.X)为夹紧电磁阀线圈供电。其工作过程分析如下：
1）机构处在原位，上限位和左限位行程开关闭合，I0.2、I0.4接通，移位寄存器首位M1.0置“1”，Q0.5输出原位显示， 机构当前处在原位。 
2）按下启动按钮，I0.0接通，产生移位信号，使移位寄存器右移一位，M1.1置“1”（同步M1.0恢复为0），M1.1得电，Q0.0输