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基于PLC的工业机械手控制设计

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基于PLC的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
指导教师: 尹存涛
摘要: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, 当前, 工业机器人主要承担着焊接、 喷涂、 搬运以及堆垛等重复性而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、 轨迹和要求经过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; 控制; PLC

目 录
第1章 PLC简介 1
1.1 PLC的定义 1
1.2 PLC的由来及发展 2
1.3 PLC的特点及用途 3
1.4 PLC的主要技术指标 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机械手的定义与分类 16
2.2机械手应用及组成结构 16
2.3机械手的发展趋势 18
2.4机械手的工程应用 18
2.5机械手设计的要求及意义 19
第3章 机械手的设计方案 21
3.1结构示意图 21
3.2机械手的动作顺序 22
3.3 PLC选型及I／O接线图 24
3.4 PLC I／O地址分配表 25
第4章 机械手PLC设计 26
4.1自动控制程序的梯形图及说明 26
4.2手动控制程序的梯形图及说明 29
结束语 31
致 谢 33
参考文献 34

第1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, 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。可是个人计算机( 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, 它采用能够编制程序的存储器, 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, 经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, 它的程序是能够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, 它能够方便地应用在各种场合。
经过以上定义还能够了解到, 相对一般意义上的计算机, 可编程控制器不但具有计算机的内核, 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, 它能够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。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
一、 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。
二、 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。能够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。
三、 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能够方便地实现继电器电路的功能。在工业现场, 能够使用手持编程器或笔记本对PLC进行编程。当PLC联网后, 能够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。
四、 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, 主要能够归纳为以下几类:
一、 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。
二、 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。
三、 运动控制
PLC能够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。
四、 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。当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。
1.4.1 编程元件、 语言及指令功能
用户的PLC程序能够用梯形图语言、 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。
一、 编程元件
PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。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、 定时器、 计数器、 通用寄存器、 数据寄存器及特殊功能继电器等。
PLC内部这些继电器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似, 也有”线囤”与”触点”, 但它们不是”硬”继电器, 而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为”1”时, 则表示相应继电器线圈得电, 其动合触点闭合, 动断触点断开。因此, 内部的这些继电器称之为”软”继电器。
二、 编程语言
所谓程序编制, 就是用户根据控制对象的要求, 利用PLC厂家提供的程序编制语言, 将一个控制要求描述出来的过程。PLC最常见的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言, 且两者常常联合使用。
( 一) 梯形图
梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、 动断触点、 线圈以及串、 并联等术语和符号, 根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形, 直6观易懂。梯形图中常见图形号分别表示PLC编程元件的动断和动舍接点; 表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。
梯形圈的设计应注意以下三点:
1、 梯形图按从左到右、 自上而下的顺序排列。每一逻辑行( 或称梯级) 起始于左母线, 然后是触点的串、 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用户程序执行中应满足线圈接通的条件。
3、 输入继电器用于接收外部输入信号, 而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此, 梯形图中只出现输入继电器的触点, 而不出现其线圈。输出继电器则输出程序执行结果给外部输心设备, 当梯形图中的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, 而要经过输出接口的继电器, 晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的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程序的语言, 它类似于计算机的汇编语言, 但比汇编语言易懂易学, 若干条指令组成的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部分组成。
基本位操作指令
所谓基本位逻辑指令是指指令的操作数为”位”的一类指令。它包括位加载指令( 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( =) 能组成最基本、 最简单的控制。
LD( LOAD) : 位加载指令, 对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, 对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) 用于与左母线连接的常开触点( LD) 、 常闭触点( LDN) 。它相当于继电器控制电路与电源连接的触点。输出指令( =) 用于普通的线圈输出, 相当于继电器控制电路的普通线圈。
【例1】位加载指令( LD/LDN) 、 输出指令( =) 的使用实例, 如图1.1所示。
程序运行结果: 实现Q0.0的点动控制。即: 按钮SB接PLC的I0.0端子, Q0.0如接一接触器并控制电动机的电源, 则按下SB电动机运行, 松开按钮SB电动机停止运行。

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, 用于常开触点的串联;
AN( AND NOT) : ”与”操作指令, 用于常闭触点的串联;
O( OR) : ”或”操作指令, 用于常开触点的并联;
ON( OR NOT) : ”或”操作指令, 用于常闭触点的并联。
触点串联指令( A/AN) 用于单个触点的串联。当单个触点与前面的触点或支路串联时, 使用触点串联指令( A/AN) 。
触点并联指令( O/ON) 用于单个触点的并联。当单个触点与上面的触点或支路并联时, 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) 用于支路的串联和并联。
ALD: 用于支路与前面的支路或触点的串联;
如图1.2所示

图1.2 长动控制停止按钮接常闭的梯形图
OLD: 用于支路与上面的支路或触点的并联。
它们为无操作元件指令, 又习惯称为无器件编号的独立指令。这种无操作元件指令只用于表示一些程序间关系等。
【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的使用示例
需要注意的是, 在串并联支路的起点( 第一个触点) , 在语句表编程时, 要使用LD/LDN指令, 如图1.3中网络1的M0.0触点, 网络2的T37触点。这是LD/LDN指令语句表编程的另一常见之处。
4．栈操作指令
栈操作指令包括进栈( 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采用模拟栈结构, 用来存放逻辑运算结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的栈操作概念。堆栈操作时将断点的地址压入栈区, 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的内容读入程序的地址指针寄存器, 栈区内容保持不变。弹栈操作时, 栈的内容依次按照后进先出的原则弹出, 将栈顶部内容弹入程序的地址指针寄存器, 栈的内容依次上移。栈操作指令对栈区的影响如图1.4所示。

图1.4栈操作过程示意

图1.5线圈输出的三种形式
网络1: 并联输出 网络2: 连续输出 网络3: 复合输出
栈操作指令用于复合输出的语句表编程。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。各种输出方式的编程如下:
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) 能够嵌套使用, 最多能够嵌套9层。为保证程序地址指针不发生错误, 进栈和弹栈指令必须成对使用, 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控制系统设计编程的基础, 应该熟练掌握和运用, 为了便于使用, 现将基本的位操作指令的作用汇总于表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、 以及串并联支路的第一个常开触点
加载常闭
LDN

与左母线相连、 以及串并联支路的第一个常闭触点
常开串联
A

单个常开触点与其它触点或支路的串联
常闭串联
AN

单个常闭触点与其它触点或支路的串联
常开并联
O

单个常开触点与其它触点或支路的并联
常闭并联
ON

单个常闭触点与其它触点或支路的并联
块串联
ALD

支路与前面的支路或触点的串联
块并联
OLD

支路与上面的支路或触点的并联
线圈输出
=

普通线圈输出, 如Q、 M
进栈
LPS
——
复合输出的进栈
读栈
LRD
——
复合输出的读栈
出栈
LPP
——
复合输出的出栈
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、 断电来描述存储器的置位、 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为了增强指令的功能, 将置位、 复位指令的位数扩展为N位。
置位、 复位指令的语句表格式包括:
S bit N: 将bit位开始的N个连续线圈置位;
R bit N: 将bit位开始的N个连续线圈复位。
置位/复位指令的梯形图格式如图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能够插入其它程序;
2．置位指令、 复位指令一般要配对使用;
3．复位指令也能够用于其它元件的的复位, 如保持型定时器、 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的位取反操作, 改变能量流的状态。指令格式的梯形图形式用触点形式表示, 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, 能量流能够向右侧传递, 其语句表格式为”NOT”。
②空操作指令( NOP)
空操作指令起增加程序容量的作用。使用空操作指令, 将稍微延长扫描周期时间, 但不会影响用户程序的执行, 不会使能量流断开。
指令格式为: NOP N。其中, N为执行空操作指令的次数。
梯形图格式用指令盒形式。
③AENO/ENO指令
梯形图的指令盒指令右侧的输出连线为使能输出端ENO用于指令盒或输出线圈的串联( 与逻辑) , 不串联元件时, 作为指令行的结束。
AENO指令( And Eno) 的作用是和前面的指令盒输出端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的上升沿或下降沿时产生一个周期的脉冲信号, 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
说明

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

说明如下:
当I0.0置1时, 其上升沿经正跳变指令EU使M0.0置1一个扫描周期T, 使Q0.0置位; 当I0.0由1→0时, 出现下降沿, 经负跳变指令ED使M0.1置1一个扫描周期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能够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。
1.4.3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, 一般以ms/k字为单位, 扫描速度越快越好。
1.4.4存储容量
存储容量是存放用户程序的存储器的容量。一般见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, 就能够编制出更复杂的程序。
1.4.5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1.12 PLC总体控制系统框图
对照图1.12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2章 工业机械手简介
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, 它能大大地改进工人的劳动条件, 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。特别在高温、 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。它能够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, 先是经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
当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, 改进作业条件。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, 能够转动、 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。手指的数量又能够分为二指、 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。液压驱动主要是经过液压缸、 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, 直线运动能够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, 当前以点位控制为主, 占90％以上。
控制系统能够根据动作的要求, 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。当前, 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( 不但能够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, 而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: 当前在一些机种方面, 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, 中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、 改进劳动条件、 提高产品质量和生产效率的有效手段之一。特别在高温、 高压、 粉尘、 噪声以及带有放射性和污染的场合, 应用得更为广泛。在中国, 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。
机械手虽然当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, 在电子行业中它能够用来装配印制电路板, 在机械行业中它能够用来组装零部件。
( 3) 能够危险场合下工作, 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:
机械手下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作, 这个主要是采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成;
机械手手指的夹紧与松开, 主要用单线圈二位电磁阀推动液压缸完成, 线圈通电时执行夹紧工作, 断电时执行放松动作;
机械手的上升、 下降、 左移、 右移、 的动作转换靠限位开关来控制, 而夹紧、 放松动作的转换是由时间继电器来控制;
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。
2.5.2 机械手设计的意义
随着科学技术的发展, 机械手也越来越多地被应用。在机械工业中, 铸、 锻、 焊、 铆、
冲压、 热处理、 机械加工、 装配、 检验、 喷漆、 电镀等工种都有应用的实例。其它部门, 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, 应用机械手的意义可言概括如下:
1.以提高生产过程的自动化程度
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
自动化程度, 从而能够提高劳动生产率和降低生产成本。
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、 有放射性或其它毒性污染以及工
件空间狭窄的场合中, 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地完成作业, 使劳动条件得以改进。
在一些简单、 重复, 特别是较笨重的操作中, 以机械手代替人手进行工作, 能够避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3.能够减轻人力, 并便于有节奏的生产
应用机械手代替人手进行工作, 这事直接减少人力的一个侧面, 同时由于应用机械手能够连续的工作, 这事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, 当前几乎都装有机械手, 以减少人力和更准确的控制生产地节拍, 便于有节奏的进行工作生产。
综上所述, 有效的应用机械手, 是发展机械工业的必然趋势。

第3章 机械手的设计方案
3.1结构示意图

图3.1 机械手结构示意图
如图3.1所示机械手的所有动作均采用电液控制、 液压驱动。它的上升／下降和左移／右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。当某个电磁阀线圈通电, 就一直保持当前的机械动作, 直到相反动作的线圈通电为止。例如,当下降电磁阀线圈通电后, 机械手下降, 即使线圈再断电, 仍保持当前的下降动作状态, 直到上升电磁阀线圈通电为止。机械手的夹紧／放松采用单线圈二位电磁阀推动液压缸完成, 线圈通电时执行夹紧工作, 断电时执行放松动作。为了使动作准确, 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、 右行等动作的限位, 并给出了动作到位的信号。另外, 还安装了光电开关SP, 负责监测工作台B上的工件是否已移走, 从而产生无工件信号, 为下一个工件的下放做好准备。
3.2机械手的动作顺序

图3.2机械手的动作顺序示意图
如图3.2所示机械手的初始位置在原位,按下启动按钮后,机械手将依次完成: 下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作, 实现机械手一个周期的动作。机械手的上升、 下降、 左移、 右移的动作转换靠限位开关来控制, 而夹紧、 放松动作的转换是由时间继电器来控制的。为了保证安全, 机械手右移到位后, 必须在工作台B上无工件时才能下降。若上一次搬到右工作台上的工件尚未移走, 则机械手应自动暂停等待。为此设置了一只光电开关, 以检测”无工件”信号。工作台A、 B上工件的传送不用PLC控制; 机械手要求按一定的顺序动作, 其流程图如图3.3所示。

图3.3机械手的动作顺序流程图
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