1 机械手模型的PLC控制系统设计

1、机械手模型的plc控制系统设计成人高等教育 毕业设计（论文）题 目 机械手模型的plc控制系统设计学 院 广 东 工 业 大 学专 业 数控技术与网络应用年 级 2008姓 名 何国超指导教师 杨寿智 （2010 年 5 月）广东工业大学继续教育学院制机械手模型的plc控制系统设计摘要 在工业生产和其他领域内，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，甚至于危及生命。工业机械手就这样诞生了,机械手是工业机器人系统中任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其电气方面有步进电机、开关电源、电磁阀等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术等，是机电一体化的典

2、型代表仪器之一。本文介绍的机械手是由plc输出五路来分别驱动手臂上下直线运动，手臂左右直线运动，手腕旋转运动，机械手整体旋转运动，手爪夹紧动作的精确定位，微动开关将位置信号传给plc主机；电机拖动手爪和底盘旋转；电磁阀控制气阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的工业机械手模型可在空间抓放物体，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 可编程控制器plc 位置控制 步进电机abstractin terms of industrial production and other fi

3、elds, as a result of the working need，people often accept the factor damage such as the high temperature , corrosion and toxic gas, even life-threatening. the industry manipulator like this was born; the manipulator which is one of robot key components is in the industry robot assembly system the du

4、ty implementing agency. there are electrical machinery, switching power supply, electromagnetic valve, electronic device composition and so on. this equipment which is the integration of machinery model represents one of instruments has covered the programmable control technology, the positions cont

5、rol technology, the air operated technology and so on. this article introduced the manipulator, it outputs four groups by plc to actuate the abscissa axis, the z-axis, the chassis rotation, hand-rotating motor separately, and controls the manipulator abscissa axis and the z-axis pint pointing, the m

6、icro switch bequeaths the position signal to the plc main engine; the electrical machinery drives the hand fingernail and the chassis revolve; the solenoid valve controls air valve the switch to control the manipulator hand fingernail to gather, then realizes the manipulator proper motion function.

7、this topic plans to develop the industry manipulator model, and it is to be possible to grasp and puts the object nimbly in the space, whose movement is diverse, it may replace human work in high temperature and the dangerous operation area, and may change there lasted parameters when it is necessar

8、y according to the work pieces changing and the movement flowing request.key words manipulator programmable controller plc position control step-electric motor.目录毕业设计（论文）11.1选题背景61.2控制系统的选择61.3可编程控制器(plc)的历史与发展趋势81.4可编程控制器的基本功能和特点91.5可编程控制器的组成和工作原理121.5.1可编程控制的硬件组成121.5.2 可编程控制的软件系统和程序141.5.3 可编程控制器

9、的工作原理14第1章 概述1.1选题背景机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化的生产设备。机械手是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，在全国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，但是数控加工中心加工中常见的上下料工序，通常乃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，效力低；后者因设计复杂，需要较多继电器，接线复杂。容易车体震动干扰，而存在可靠性差，故障

10、多，维修困难等问题。可编程控制器plc控制的上下料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。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，传感器技术计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。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，他又多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动密集型，机械手的使用已经越来越普及，那些电子和汽车业的奥美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化时那些分布在工业密集的华南，华东沿海

11、地区也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。随我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸，转向，输送或分拣流程越来越节约劳动力，可见机械手的大力发展有着很重要的意义。1.2控制系统的选择从满足机械手自动控制系统的安全性、扩展性、可靠性和稳定性方面考虑，目前常见的机械自动控制系统，主要有单片机控制、plc控制、工业控制计算机集中控制以及继电器控制等类型。随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位、16位单片机轧管系统由单片计算机及其外围芯片构成机械手自动控制系统系统。其特点是单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发

12、必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力。工业控制计算机机械手分拣系统有较强的软、硬件支持。利用通用计算机的软、硬件资源来支持机械手自动控制系统系统进行工作，具有自开发能力，有较强的可视能力和数据处理能力，更适合于计算机集中控制系统应用。继电器控制装置是采用硬逻辑的方式，一个继电器线圈的通断将会同时影响该继电器的所有常开常闭触点动作，同触点在控制线路的位置无关。虽然继电器控制不需要很强的软、硬件支持。价格相对便宜，但是性能不稳定精度不高，不具备自动控制功能。plc是一种型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术融为一体。其特点

13、如下：12.1 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内部电路之间电气是那个隔离，防止外部高压的窜入。2. 各输入端均采用r-c滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms，有效的抑制了高频抗干扰信号。3. 在plc电路中设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来。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，使可靠性能更进一步提高。12.2 丰富的i/o接口模块

14、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； *脉冲火电位； *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 直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。12.3 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu，电源，i/o等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行

15、组合。12.4 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。12.5 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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。使用方便。plc的结构不仅具有先进的通讯和输入输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模

16、和不同要求的控制系统。设计、施工、调试周期短。用plc完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。plc的功能有：（一） 逻辑控制（二） 定时控制（三） 计数控制（四） pid控制（五） 数据控制plc具有数据处理能力（六） 通信和联网（七） 其它plc还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，crt模块。易于实现机电一体化。plc的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。鉴于plc的诸多优势，结合机械于自动控制系统的需要，选择日本三菱公司的s7-200系列可编程序控制器。

17、simatic s7-200系列plc是西门子公司生产的具有高性能价格比的小型可编程控制器，由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用。1.3可编程控制器(plc)的历史与发展趋势1.3.1可编程控制器(plc)的历史 可编程控制器（progremmable controller ,pc）是近几年迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（progremmable logy controller）,这时的plc基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时

18、、计数等功能。 国际电工委员会（iec）与1987年2月在颁布的可百鸟朝控制器标准草案中将其一步定义为：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。 20世纪70年代，微处理器的出现使plc发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为plc的cpu，这样使plc的功能大大的增强。 20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的plc所采用的cpu的档次普遍提高，一般

19、采用16位和32位的cpu。 目前，世界上约有200家plc生产厂家。其中，美国的（rockwell）、(ge)，德国的西门子（siemems），法国的施耐德（schmeider），日本的三菱，欧姆龙(omron)还有我国的江苏嘉华，他们从只有几十个点（i/o总点数）的微型plc到上万个点的巨型plc。可以预见plc将会是电气控制装置的主要控制元件。1.3.2可编程控制器的发展与趋势由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的plc技术将围绕如下几个方面发展。（1） 进一步加快cpu芯片和24位、32位、64位rist芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统

20、程序用门阵烈电路固化，这样可以使速度达到ns级。（2） 变革操作控制方式。大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（i/o）的快速反应能力。（3） 发展自能化模块。自能化模块主要有：通信模块、位置控制模块、数据处理与控制模块、数/模（d/a）转换模块、pid控制模块及一些自能化i/o模块。（4） 进一步提高可靠性。plc将在硬件上采用多cpu的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强plc的自诊断和外部故障检测功能等。在plc线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效恢复作用。可见plc实质上是一种面向用户的工业控制专用计算机，它与通用计算机相比有

21、其自身的特点。（1） 提供更方便灵活的编程方法，plc的使用更加的方便。最大特点是采用清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图作为编程语言，梯形图是面向控制过程，面向操作人员的语言。因此梯形图程序简单易学，易修改，深受电器工作人员的欢迎。（2） plc的结构和规模将更加两极化更强大和更小巧。更强大是指存储容量更大，i/o点数更多，执行速度更高，智能化程度更强，数据更安全；更小巧是指体积更小，价格更低，但性能更强的微型化plc。（3） plc产品更加规范化、标准化将有利于plc的设计、生产、使用和维护。（4） 加强plc的联网功能。加强plc与plc之间，plc与计算机的联网能力，为实现工厂自动

22、化提供必要的条件。这样可以实现多个系统之间进行数据传送、交换和处理。1.4可编程控制器的基本功能和特点14.1 plc基本功能（1）逻辑控制功能 逻辑最可恨功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。plc设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其他传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。因此plc中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能 plc中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进

23、行修改，使用方便灵活。 （3）计数控制功能 plc为用户提供了很多计数器，计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现某个操作的计数控制。（4）步进控制功能 plc为用户提高了若干个状态器，可以实现有时间、技术和其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。（5） 数据处理功能大部分plc都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。（6） 过程控制功能有些plc具有a/d、d/a转换功能方便地对模拟量的控制调节。（7） 通信联网功能有些plc采用通信技术，可以多台plc之间的同位链接、plc与

24、计算机只见爱你的通信等。（8） 监控功能 plc设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可多plc的运行状态进行监控。利用编程器可以调整定时器、定时器的设定值和当前值，并根据需要改变plc内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。（9） 停电记忆功能plc内部的部分存储器所使用的ram设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分存储器中的信息不会丢失。（10） 故障诊断功能plc可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。1.4.2plc的特点plc作为通用工业控制计算机，30年，

25、可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域界限逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有：（1） 可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境（2） 编程简单、直观，可边学边用（3） 适应性好，具有柔性（4） 功能完善，接口多样（5） 易于操作，维护方便（6） 体积小、功能强大、用途广1.4.3 plc的分类plc的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，

26、plc的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、最可恨规模、实现的功能大致地分类。a. 按结构形式分类plc按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。（1）整体式plc 整体式plc的cpu、存储器i/o安装在统一机体内（如三菱的fx系列）。这种结构的特点是：结构简单、体积小、价格低。适用于嵌入控制设备的北部，常用与单机控制。（2）模块式plc 组合式plc为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个plc模块，不同的模块实现不同的功能。配置灵活、组装方便、扩展容易。b.按i/o点数和功能分类i/o的点数是衡量plc控制规模的重要参数。因此，按控制规模可分为小型plc

27、、中型plc、和大型plc。(1) 微型plc i/o点数小于64点，如图(2) 小型plc i/o点数在64-56点之间，如图(3) 中型plc i/o点数在256-512点之间，图略(4) 大型plc i/o点数在512-8192点之间，图略c.按控制实现的功能分类按照plc所能实现的功能不同，可以把plc大致地分为低档plc、中档plc、高档plc三类。1.5可编程控制器的组成和工作原理1.5.1可编程控制的硬件组成 plc主要有中央处理器（cpu）、存储器（ram、eprom）、i/o、电源、扩展接口和编程器接口等部分组成。如图（1） cpu模块在plc系统中，cpu模块相当于人的大脑

28、，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。（2） i/o模块输入（input）模块和输出（output）模块简称i/o模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和cpu模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接地开关、光电开关、等数字信号，模拟输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输入模块用来控制接触、器电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警器装置器等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 cpu模块的工作电压一般是dc5v，而plc的输

29、出/输出信号电压信号一般较高,如dc5v和ac220v，可防止从外部引入的尖峰的电压和干扰信号可能损坏cpu模块中的元器件或影响plc的正常工作。i/o模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，i/o模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离作用。（3） 编程装置编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改，手持式编程不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它体积小，价格便宜，一般用来给小型plc编程，或者用来现场调试和维护。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块和顺序功能图程序，并可以实现不同的编程语言的互相转

30、换，程序被编译下载到plc也可以实现远程编程和传递。（4） 电源 plc一般使用220v交流电源或24v直流电源，内部的开关电源为各模块提供各种直流电源，驱动plc负载的直流电源一般由用户提供。1.5.2 可编程控制的软件系统和程序 plc是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也是必不可少的。在plc中软件分为两大部分，即系统程序和用户程序。1 系统程序时plc赖以工作的基础，采用汇编语言写，在plc车厂时就医固化于rom型系统程序存储器中，不需要用户干扰。系统程序分为系统监控程序和解释程序。2 用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定任务而利用plc的编程语言而编制的程序。用户程序通过编

31、程器输入到plc的用户存储器中，通过plc的运行而完成这一特定的任务。1.5.3 可编程控制器的工作原理 plc内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如，输入继电器x由输入电路和映像输入触点的存储器组成；输出继电器y由输出电路和映像输出点的存储器组成；定时器t、计数器c、辅助继电器m、状态器s、数据寄存器d、变址积存器v/z等都有存储器组成。为了把它们与普通的硬件区分开，通常把上面的器件成为软器件。从工作过程看，只注重器件的功能和器件的名称。如，输入继电器x、输出继电器y等，而且每个器件都有确定的地址编号，这对编程十分重要。 plc的工作原理可概括为；在系统

32、管理程监控下，对i/o集中采样、顺序执行用户程序并将运算结果集中输出的工作过程，与计算机不同的是，计算机一般采用查询等待命令的工序的执行并转到相应子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或i/o命令，可能发生死机现象。而plc作为专用工业控制机，一般采用扫描用户程序工作方式，系统管理及应用程序的执行全部是以循环扫描方式完成。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。二 机械手控制要求2.1设计题目机械手模型的plc控制系统设计2.2设计目的（1）通过毕业设计培养学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力。（2）使学生受到

33、plc系统开发的综合训练、达到能够进行plc系统设计和实施的目的。（3）掌握典型工业机械手的工作原理和设计思路2.3设备概述及技术数据2.3.1.机械手工作过程概述图1为本设计机械手的示意图。机械手工作流程：开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手爪方向移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电带动手抓旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，plc控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手抓夹紧；延时过后竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底

34、盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。图2.1： 设计机械手的示意图图2.2: 四自由度直角坐标机械手实物图2.3.2技术要求（1）输入电压：ac200240v（带保护地三芯插座）或dc24v。（2）消耗功率：250w.（3）气源大于0.2mpa且小于0.85mpa。（4）外型尺寸：604555。2.3.3.主要参数（1）负荷参数：额定负荷为1kg；最大负荷为3kg。（2）臂的运动参数：横轴方向移动范围是450mm，速度是100/s；竖轴方向移动范围是450mm，速度是100mm/s.（3）手爪运动参数：旋转角度为1

35、800。（4）机械手运动参数：旋转角度为2700。2.4、设计要求2.4.1.控制要求（1）手臂上下直线运动。（2）手臂左右直线运动。（3）手腕旋转运动。（4）手爪夹紧动作。（5）机械手整体旋转运动。手臂采用电气驱动，由plc发出控制脉冲控制步进电动机运转，实现手臂的进给和定位，手爪采用气压驱动。2.4.2.设计内容（1）设计电气控制原理图。（2）进行plc选型及i/o分配。（3）plc控制成形的编写。（4）按要求撰写毕业设计说明书。（5）绘制设计图样。第3章.设计原理3.1 操作原理简要说明 机械手有手动、单周期、多周期和回原点五种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电，称为系统处

36、于原点状态（或称初始状态）。 在用户程序中，坐限位开关，上限位开关的常开触点和表示电磁铁线圈断电常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器变位no。在通过初始化指行ist利用辅助继电器来决定机械手的工作方式， 在单周工作方式下，在初始状态按下启动按钮后，机械手从初始步开始一个接一个周期地反复连续的工作。在按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。 在单步工作方式下，从初始步开始，按下按钮系统转换到下一步完成该步任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮才转到下一步。单步工作方式常用于系统的调试。在选择单周期，多周期和单步工作方式之前，系统应

37、处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式。 机械手的一个工作周期（动作顺序）为下降、夹紧、上升、右行、下降、释放、上升、左行返回。当机械手在原点状态时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位时，下限位处于断电状态。夹紧，然后机械手上升，上升到上限位时，机械手臂右行。当右行到右限位时，机械手下降，下降到下限位时气抓断电，释放工件，工件放入指定位置。然后回到原点。当机械手在原点时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位时，接通，夹紧工价，机械手上升，上升到上限位时，机械手臂右行，当右行到限位开关时机械手下降，下降到下限位时，气抓放松。然后回到原点位置，机械手动作完成。 3.2 机械手主要

38、由执行结构、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，可转动、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夹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。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘。本设计采用二指的构造。手臂有无关节臂和有关节臂之分。手臂的作用是引导手指准确的捉住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。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

39、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支架。 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、气动用的最多，占90%以上；液压机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过液压缸、阀、液压泵和油箱等实现传动。它利用液压缸、液压马达加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动液压缸、液压马达与减速器、液压缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大，动作平缓，可无极变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马

40、达、气阀等。一般采用4到6个大气压（392到588kpa),个别的达到8-10个大气压（785-981kpa）。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性差，气压系统容易生锈。本设计的手爪部分采用气压驱动。 电气驱动时，直线运动可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。电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一形式的动力，出力比较大。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旋转运动。 机械驱动只

41、用于工作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。她的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。 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存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、以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、可靠性高等优点。3.3 各电气设备的控制方式及控制要求 3.3.1机械手的

42、机能和特性 根据古典力学观点，物体在三维空间内的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其技能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根人造肌肉。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的人造肌肉。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到，而且把机械手的运动搞的那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共要有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构

43、复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过多的自由度，而应该根据实际需要的动作设计出最少的自由度，就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手通常具有两到三个自由度。而通用机械手则一般取四到五个自由度。 本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。 3.3.2躯干和传动系统 机械手的传动分液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。 1、夹紧机构 机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构-手爪时，首先要从机械手的坐标形

44、式、运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电造成的被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和工作可靠。 夹紧结构形式多样，有机械式、吸盘和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧机构。 机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手

45、指运动的方式和模仿人手的动作。可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源则可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180。 2.躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 盘底是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。采用一个直流电动机驱动，盘底旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3发出一个脉冲，由传感气检测并送入可编程控制器，从而计算盘底旋转的角度。同时，在盘底装有限位磁头，最大旋

46、转角度可达270。 手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使他们远动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用步进电动机带动丝杆、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杆旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杆、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。 3.3.3 电器元件、设备的选择 1、plc机型的选择 根据被控制对象对plc,基本原则是满足控制系统的功能要求，可进行plc型号的选定。 进行plc选型

47、时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求较不高时，一般的小型plc都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的目的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的plc主机，还要根据需要选择相应的传动感器、变送器和驱动装置等。 输入/输出的点数可以衡量plc规模的大小。准确统计被控对像的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际的调整和扩充

48、，在实际i/o点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型plc为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的plc采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。 此外，还应考虑用户存储器的容量、plc的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。 本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进电动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。三菱fx系列的plc性价比搞、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控

49、制性能要求，因此，本系统采用三菱fx2n48mt系列plc作图1为基本模块（如图1所示plc），能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。 2.电源模块： 采用dm150系列开关电源。其特点是输出功率大、体积小，重量轻、可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。 主要参数： 输入交流电压：110-220v/50hz、60hz 输出直流电压：24v/6.5a 最大功率：156w 工作环境：-10-40c 3.步进电动机 采用二相八拍混合式步进电动机，主要特点：体积小，具有较高的启动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42bygh101.电气原理图如下图所示。 快接线插头

50、中的红色表示a相。蓝色表示b相。 使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将a相或b相两根线对调。 4.步进电动机驱动模块 采用中美合资sh系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。如上图所示 电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。 信号输入部分：信号源由fx2n主机提供。由于fx2n提供的电平为24v，而输入部分的电平为5v，中间加了保护电路。 输出部分：与步进电动机连接，注意相序。 5.传感器 采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用；采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。 接近开关：接近开关有三根连接线（红、蓝、黑）红色接电源的正极、黑色接电源

51、的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平，其结构如下图所示 微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合），其结构如上图所示 6.fx2n模块 由三菱fx2n系列plc晶体管输出的主机，具有高速运算能力、pid调节功能，同时可以输出两路脉冲控制两台电动机的优点。输出两路脉冲梯形图及f/t如图所示 7.直流电动机 采用36zyj5-12型直流电动机。输入电压为12-24v，由fx2n模块控制电动机正反转。 8.旋转码盘 机械手每旋转3发出一个脉冲，旋转码盘的结构如图所示 3.3.4、控制流程 机械手工作流程如图所示。把可编程控制器主机上的run-prog的开关拔在ru

52、n上，如果机械手不在初始位置上，步进电动机开始运转（横轴向手抓那边移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电动机工作，横轴前伸；前伸到位后，手爪电动机得电带动手爪旋转；当传感器检测到限位磁头时，电动机停止，plc控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电动机，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电动机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁发动作，手张开；延时后竖轴上升复位；然后开始下一周期动作。 4 、控制系统的软、硬件设计 4.1控制系统硬件设计 plc硬件设计是指plc外部设备的设计。在硬件

53、设计中要进行输入设备的选择（如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括plc输入/输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出i/o通道分配表，表中包含i/o编号、设备代号、名称及功能等。 机械手控制系统电气原理图如图所示图中可编程序控制器采用三菱fx系列的fx2n48mt作为基本模块。由于接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色的线接电源的负极，蓝色的接plc的输入端子。 4.2控制系统软件设计 软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转换条件，配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的设计。 4.2.1、i/o地址分配 i/o地址分配如表所示输出i/o分配序号地址名称1y1下降2y2放松3y3上升4y4左移5y5右移6y6底盘正转7y7底盘反转8y8横轴脉冲9y9竖轴脉冲10y10横轴方向11y11竖轴方向i/o分配输入序号地址名称序号地址名称1x0全复位13x14旋输盘右限位2x1下限位14x15手动左旋3x2上限位15