高速高精度冲压转序机械手的设计说明

1、引言用来重现人手功能的机械装置叫做机械手。机械手可以模拟人手的相关动作，并依据已设计好的程序、轨迹来执行搬运、抓取与冲压的智能装置。而被运用于工业的自动化生产的机械手称为工业机械手。该技术最早出现在近几十年的机械制造生产加工领域中，并已成为了现代机械制造生产系统中一个重要分支。随着该项新技术的日益成熟，历史逐渐步入了工业机械手时代,是一门涉与广泛的学科。机械手是刚刚兴起的一种自动生产技术。它可以通过语气的编程来执行各种动作，能同时发挥出智能性和适应性以与执行动作的准确性，并能代替人在恶劣的工作环境中完成预期的动作，因此其在国民生产中有着巨大的发挥空间。机械手的发展开始引起人们的深切关注:第一，

2、能够代替部分人的手工作业，节约了时间；第二，能够依据预期的生产工艺的要求，遵循已编写好的程序、时间和位置来完成工件的搬运与装卸，劳动效率显著提高，加快工业生产机械自动化的步伐。因而，世界各国开始关注这项技术，并对该项技术加以研发。我国的机械手事业刚开始，并且已经获得了令人骄傲的成绩，受到全世界的关注。机械手是实现自我控制且可以通过编写新程序的方式来变动的智能机器，可拥有一个或几个自由度（自由度越多越灵活），可以完成冲压、搬运工件等作业。机械手起初的最基本的特点是结构单一，适用围针对性较强。随着机械工业的发展，工业机械手执行的动作也越来越复杂，符合巨大多数工业自动化生产的“程序控制通用机械手”被

3、简称为通用机械手。因为其可随程序的改化而变化，使用方面，所以其适合在不断变化产品的中小批量生产中“大展拳脚”。- 25 - / 26第1章 绪论1.1机械手的发展前景我国机械手应用的围越来越广，主要体现在重点热处理以与发展铸造等方面上。为了提高作业条件与劳动强度，在研发专用机械手的时候，适当对通用机械手进行发展，有条件的话还要对PLC控制机械手、电磁式机械手和气动机械手等进行研究开发。于此同时要对机械手的运行速度以与定位的准确性进行提高，将机械手能力发挥到极致。而国外机械手的发展的侧重点则是在开发一些发展潜力较大的智能机械手。其目的在于赋予其一些传感能力，同时能够实时反馈出外界的信息并能够针对

4、此采取相应的措施加以应对。目前我国已经取得不错的成绩。随着机械手发展的变化，其发展完全冲破了传统机械工业发展的束缚，不断地向着生物科技、电子科学和航空航天等高端行业迈进。1.2机械手组成和分类通常由三个部分组成：执行机构、驱动机构与控制机构1.2.1执行机构（1）手部：即直接与工件接触的部分，一部分是回转型或平动型。多半机械手的手部都是两指结构。 （2）腕部：即连接手部和臂部的部件，可用来调整要抓取物体的位置，来增大机械手的活动围，并使机械手变得更灵活，适应性更强。手腕有独立的运动，如回转运动、上下摇摆、左右摇摆等。腕部通常有回转运动，只要增加一个上下摇摆的运动，即可满足机械手的作业要求。 （

5、3）臂部：关键执行动作的装置，对整个机械手起支撑作用，并驱动手部与臂部做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动规定围的一点。机械手手部姿势改变可以通过改变其自由度来改变。因此，臂部通常必须要三个自由度才能符合作业条件，手臂可以伸缩、升降以与左右旋转。臂部的空间运动一般可以通过驱动机构以与传动机构来加以实现。因此，它的机构、灵敏性以与抓重大小会影响机械手的使用性能。行走机构：工业机械手具备的独立移动机构，在这方面上的研究，我国正处于起步阶段。1.2.2驱动机构驱动机构主要为机械手提供动力。根据不同的动力来源，机械手的驱动机构大概由电动、气动、液压与机械驱动等四大类组成。用电动机来构驱动的机

6、械手，机构简单、结构紧凑、重量较轻与易控制等优点。1.2.3控制系统分类在机械手的控制方式上，可分为有点控制以与连续控制。绝大部分用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制。1.2.4机械手的分类机械手的分类方式很多，可按工作围、驱动方式以与控制方式等依据来进行划分。（1）按用途分机械手由专用机械手以与通用机械手组成：1、专用机械手它是一种依附于主机的的机械装置，有固定程序但没有自身相对的独立控制系统。专用机械手执行动作单调，结构比较简单，适用性可靠并且成本低，在机械化生产中应用于大批量生产。2、通用机械手它具有以下的优点：程序易变以与独立的控制系统，且操作比较灵活。通过调节可在不同下使

7、用，且其驱动系统和控制系统是相对独立的。其作业围较广，定位准确以与通用性强，在自动化生产中适合小批量生产。（2）按驱动方式分1、液压传动机械手其原理是利用液体的压力推动执行机构作业的机械手。优点：可以抓起沉重的物件，其作业时操作灵活，传动性能平稳。但是对装置的密封性要求较高，否则装置的介质会影响其性能的发挥；另外其不适合在温差较大的恶劣环境下工作。缺点在于对介质的过滤要求较严格，成本较高。2、气压传动机械手其原理是利用提高空气的压力推动执行机构作业的机械手。优点：空气来源极为方面，气动动作反应迅速，结构简单，输出力小与成本较低。但由于空气体积缩小，导致其工作稳定性差；另外气源压力低，在同等情况

8、下比其他机械手机构大，一般在高速、轻载、高温与粉尘大等工作环境中作业。3、机械传动机械手即执行机构，是专用机械手的一种，其动力源来自于机械传动。它的优点是运动准确，缺点也较明显：结构较大且执行程序不能改变。适合在自动生产线的上、下料时使用。4、电力传动机械手即是一种由结构特殊的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，结构较简单，不需转换机构。目前国这类机械手数目不多，但有发展潜力。（3）按控制方式分1、点位控制即规定空间点与点之间的运动，其轨迹是不受控制的。若想增加控制点数，则可以通过提高复杂性来实现。2、连续轨迹控制即空间的任意连续的曲线运动，其特点是无限的设定点，整

9、个运动过程都处于控制下，实现平稳准确的运动，且适用围较广，但电气控制系统比较复杂。因此，此类机械手通常适合在小型计算机上操作。1.3工业机械手的发展最早出现在汽车制造上，一般从事于焊接、喷漆与搬运等作业。工业机械手拓展了手足与大脑功能，替代人完成繁重的工作，提高了劳动生产效率，产品质量得到了保证。随着生产的发展，机械手的功能和性能的不断改善和提高，其应用领域也日益扩大。我国的机械工业从20世纪70年代开始起步。从第七个五年计划开始，政府将工业机器人的发展列入计划之，并且在其上投入了大量人力和物力，研制出了一大批的工业机器人，如有由的喷涂机器人，的氨弧焊机器人，和的电焊机器人，的装卸机器人等。中

10、国科学院和科技大学提供了这些机器人的控制器，而就在同时一大批机器人的重要部件也被研制出来，如机器人减震齿轮、专用轴承、DC-PWM、编码器等等。 目前我国正在拓展其适用围。同时发展专用机械手以与通用机械手，研制出电磁式机械手、计算机控制机械手与液压式机械手等。可以将机械手的执行构件，改装成实用的通用构件；此外根据不同的执行动作要求，可采用不同的实用机构，设计成多种的机械手，使更换工件方便，使应用围广大。1.4课题研究的容与意义本文主要对高速高精度冲压转序机械手的进行研究，通过学习机械手的工作原理，熟悉冲压转序机械手的运动进行了简单的分析，完成了高速高精度冲压转序机械手方面的设计工作（包括控制部

11、分、执行部分、驱动部分）的设计工作通过研究高速高进度冲压转序机械手的设计，让我初步掌握机械设计的基本流程，加深了我对其作业原理的了解，充分地锻炼了我的动手能力，为以后的设计积累了大量的丰富的经验。第2章 机械手的设计方案与选材2.1机械手的总体设计方案对于本文所要设计机械手，其基本要能够精确、迅速、按顺序地冲压工件，即所要设计的机械手需具备高速、高精度、充足的空间、适量的承载能力、灵敏的自由度以与在任意部位都能定位等特性。设计原则主要有：充分分析对象的要求，制定最优化的工序和工艺；了解要加工的工件的材料选材和所要加工的形状，定位精度以与工件受冲压时的受力状况、质量参数和尺寸等，从而进一步明确对

12、机械手结构与执行控制的要求，尽量选择的标准工件，简化设计过程，具备通用性和专用型等特点，并能实现柔性转换和变成控制。2.2机械手的关键机构与其运动依据设计任务，本设计中机械手能够做垂直运动。此次设计的机械手主要由手部、腕部、臂部、机身这四个部分组成。（1）手部，选用四个吸盘来搬运工件。（2）腕部，选用四根支架来固定吸盘，并和臂部联结。（3）臂部，则选用铝合金质地的手臂，选用焊接的方式并用螺钉和齿条跟其手腕相联。（4）机身，机械手的垂直运动通过齿轮齿条机构来实现。电动机的动力通过V带传送给轴上的齿轮组，回转运动转变为垂直运动，最终使机械手正常作业。2.3驱动机构的选择驱动机构即为机械手的关键组成

13、部分，其性价比主要由驱动的方案与其装置决定。根据动力源的不同，机械手的驱动机构由液压、气动、电动和机械驱动等四大类组成。机械手的驱动方案一般选择电动驱动，电动机的型号为Y160M1-2.其额定功率为11KW，额定转速为1500r/min。本章对机械手做了大致的设计，决定了其基本形式以与主要部件，决定了此次设计选用电动驱动。以下设计计算即遵照以上选择进行。2.4机械手手部的设计计算工件的尺寸为150mm100mm3mm，材料为钢，刚的密度为=7385g/cm。2.5选择手抓的类型一般机械手的手部，按握持工件方式，分为夹持以与吸附两种。通过综合考虑，此次设计选择后者作为设计的手抓。手抓的力学分析

14、（1）对于电源，即加在线圈前后的电压，可选择直流电源。直流电源具有吸力的稳定性较好，线圈两端的电压没有改变。考虑到本设计的磁吸力较小，可选用5-12V直流电源。 （2）绕线组的选材，为了尽量减轻绕线组的质量，可选择漆包铝线为绕线组。 （3）因为绕线组是有电阻的，所以会产生热量。由公式为可计算得到绕线组的发热功率（U为电源电压，R为绕线电阻）。 （4）磁吸力F=BIL，I=，B=，其中N为线圈匝数，I为电流强度，S为线圈的横截面积。2.6行程开关的选择行程开关即限位开关，是利用生产机械一些机构部件的撞击来发送控制命令的一种主令电器。在起重机以与轻工业机械的行程控制当中，当生产机械运动到某一预定的

15、位置时行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转变为电信号，从而实现控制生产机械，限制他们动作以与位置，为生产机械提供必要的保护。行程开关按其结构可分为直动式，滚轮式和微动式系列三种。综合考虑之后，选用滚轮式行程开关JLXK2系列，其触电为常闭触点。行程开关一般位于机械手的手臂之上，从而使行程开关带动机械手一起作业。2.7本章小结本章介绍设计机械手时所需要的选用的方案与器材包括：机械手的手抓类型、电磁铁以与行程开关的设计。在本章中对机械手的驱动机构与执行机构进行了确定，为之后的设计打好了良好的基础。第3章 机械手腕部和臂部的设计3.1腕部的设计计算3.1.1腕部的设计基本要求（1）要求重量轻

16、、结构紧凑即在臂部的最前端，而由臂部来承受腕部以与手部的动静载荷。腕部的机构、自身重量以与载荷，直接影响机械手的作业性能。所以，在机型腕部的设计时，必需力求重量轻、机构紧凑。（2）结构考虑，合理布局腕部不是执行机构，只起到连接与支撑作用，此外除了保证正常运动、强度要求以与刚度之外，还要综合分析，整体布局，处理好腕部、手部和臂部的连接问题。（3）必须考虑工作条件对于本次设计，机械手的工作任务是在工作场合中冲压工件，既没有处于高温在下，也不在具有腐蚀性的工作介质作业，因此几乎不受环境影响，对腕部也基本无影响。3.2腕部的结构设计腕部应用平面式，用四根支架制成。与螺栓连接的垫片通常选用快换垫片，目的

17、是快速地调节手部的位置。3.3臂部设计的基本要求 （1）臂部要求承载力大以与刚度好和重量轻 （2）臂部的运动速度快以与惯性小 （3）手臂动作应该灵活3.4手臂运动机构的选择综合考虑之后，此次设计要求机械手完成垂直运动，可采用齿轮齿条。臂部可选用铝合金材料，目的是尽量减轻臂部的重量，从而减小其惯性。采用焊接的方式可使臂部与腕部相连接。选用M6的螺钉将齿条与外端板相连接。当齿条磨损后，可以随时可更换新齿条。3.5机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件，一般使手臂完成回转以与升降运动。3.5.1机身的整体设计按照此次设计要求，为了使手臂完成水平运动，需将臂部的回转机构装在机身上。机身承载着手臂

18、，做垂直运动，是机械手的重要组成部分。为了设计出合理的机构，需要综合考虑分析。3.5.2分析经过综合考虑分析，本设计选用齿条轮结构。齿轮通过键与轴相连接，电动机再通过V带轮带动轴转动，从而带动齿轮转动，齿轮将运动传递给齿条，最终通过齿条使机械手能够完成垂直运动。3.6传动系统的设计3.6.1轴的设计计算轴是起支撑回转部件、传递运动与动力的作用。在此设计中，选用45号钢作为轴的材质，因此碳钢相对于合金钢价廉，对应力较集中的地方不敏感，可以采用热处理或者化学处理的方法改善其耐磨性以与抗疲劳强度，因此碳钢是轴的生产制造方面比较理想的材料。 选择轴径： 轴的直径(其中n为电动机的转速，P为电动机的额定

19、功率）轴的材料为45钢 =126-103 取=115选择的电动机型号为Y160M2-2，额定功率=11KW，转速=1500rmin，又传递的效率=0.909，轴上的输入功率P=11KW0.909=10KW，转速n=15001.5625r/min=960r/mind25.115mm取轴的最小轴径d=35mm，3.6.2 V带的设计计算带传动具有以下优点：结构简单，稳定性好，造价低廉与减震等，广泛应用在机械工业中。在通常的机械传动中，被广泛的运用即为V带传动。V带的表面横截面近似为等腰梯形，带轮上有对应的轮槽。当V带传动时，只和轮槽的两个侧面相接触，即只用两侧面作为工作面。由理论力学的知识可知：在

20、同样的紧力下，相比平带传动，V带能够产生相对更大的摩擦力，这也是V带传性能上最显著地优点。因此本次设计可采用V带传动。电动机型号为Y160M22，额定功率=11KW，转速=1500r/min，传动比i=1.5625，一天运转 16h.1.确定计算功率由表查得工作状况系数=1.1, = P =1.111=12.1KW2.选择V带带型普通V带的抗拉体的结构分为帘布芯和绳芯两种。窄V带是用合成纤维绳作抗拉体，其优点是：相比普通V带，在一样条件下宽度较窄而承载能力最高可提升2.5倍左右，适合于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。选用窄V带可满足此次设计的要求3.选取窄V带带型根据,可确定选用SPZ型

21、。4.确定带轮基准直径 由表选取主动轮基准直径为=80.000。 由此可得从动轮基准直径=i=（150080960）=125 根据表应取=125。 验算V带的速度 V= =6.28m/s35m/s V带的传送速度符合要求5.明确窄V带的基准长度与传动中心距 根据0.7(+) 2(+),大致可确定中心距d=350。 计算V带所需的基准长度为=1023.296 取带的基准长度为=1000.000。 实际的中心距 a为 a=+(- )/2=350(10001023.296)2=361.6486.检验主动轮上的包角 其包角为 = 符合设计要求7.计算窄V带的根数z 由公式可知 由=1500r/min,

22、 =80mm，i=1.5625,查表可得 1.6KW，0.18KW 查表可得=0.98，=0.9则 Z=7.7 取z=8根3.6.3 V带轮的设计计算V带轮的选择在选用V带轮时应符合的要求有：制造工艺良好；质量均匀且较轻；轮槽工作面要精细加工；各槽的尺寸和角度应具备较高的精度等要求。从动V带轮的选择对于从动V 带轮,轴的直径为=35,而带轮的基准直径=125。其基准直径，所以从动V 带轮采用腹板式。对于主动V带轮，电动机的轴径为=42.000，而带轮的基准直径80.000，。 主动轮可选用实心式。带轮材料的选择带轮的选材可为铸铁，一般材料的牌号为HT150或HT200，在本次设计中，两带轮的选

23、材均为HT150。3.6.4 齿轮齿条的设计计算1确定齿轮的类型，齿轮的精度等级，齿轮的材料以与齿数 1) 按照所要设计的要求，选用齿轮齿条的传动方式。 2）电磁式机械手为普通的工作机器，其速度不高，所以选用7级精度 3）材料选择。由表可选择小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 4）闭式齿轮通常具有较快的传动速度，不容易受控制，为了改善其平稳性，降低冲击振动，小齿轮的齿数 =20-40左右, 选择小齿轮的齿数 =24。2.按齿面接触强度设计由计算公式进行试算得明确公式的各位置字母的计算数值选取载荷系数 =1.3计算

24、小齿轮传递的转矩由表查得选取齿宽系数=1，材料的弹性影响系数=189.8(5)查表得小齿轮的疲劳强度极限=600MPa；齿条的疲劳强度极限=550MPa；(6)由公式计算应力循环次数得=(7)由表查得疲劳寿命系数=0.900; =2.50(8)计算疲劳许用应力 可选取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式得 计算小齿轮的分度圆直径，将两者中的较小者带入其中。齿条疲劳寿命系数较大，而小齿轮的较小代入小齿轮的值mm=65.396mm计算圆周转动速度得 v=m/s=3.29m/s计算齿宽b b= .=165.396mm=65.396mm 则模数=/=65.396/24 mm=2.725 mm 齿高h

25、=2.25=2.252.725=6.13mm齿宽与齿高之比b/h =65.396/6.13=10.67计算载荷系数根据v=3.29m/s且齿轮为7级精度，由表查得动载系数为=1.12直齿轮，假设100N/mm。由表查得=1.2；由表查得其使用系数为=1；由表查得7级精度=1.12+0.18(1+0.6)+0.23b将上述数值代入后得=1.12+0.18(1+0.6)1+0.2365.396=1.423由b/h=10.67, =1.423，查表得=1.35；载荷系数为K=11.121.21.423=1.913 进过校核后的分度圆直径为=65.396mm=74.38mm 计算模数m m=/ =74

26、.38/24=3.13. 按齿根弯曲强度设计 由公式得弯曲强度为确定公式的各计算值由表查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa；齿条的弯曲疲劳强度极限=380MPa；由图查得弯曲疲劳寿命系数=0.850; =2.50计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.40,由公式得=303.57MPa=678.57MPa （1）计算载荷系数K K=11.121.21.35=1.814 （2）查取齿形系数 由表查得=2.65; =2.06（3）查取应力校正系数 由表可查得=1.58; =1.97计算小齿轮，试比较齿条的大小=0.00598 经过比较，小齿轮的数值比齿条的大。2)设计计算 mm=2.

27、052mm 由计算的结果分析，齿面的接触疲劳强度模数m大于齿根的弯曲疲劳强度模数，承载能力基本上决定齿轮模数m大小，承载力只与齿轮直径相关，模数标准值为m=2.50，则小齿轮的齿数4.几何尺寸计算 1）由公式得到齿轮的分度圆直径为=302.5=75 2）由公式得到齿轮的宽度为 b=175=75 取=75, =80。 5. 验算N=2652.8NN/mm =35.37N/mm100N/mm,合适。3.6.5键的设计计算 齿轮与轴连接所用的键的选择在此次设计的装置中，直齿圆柱齿轮安装在轴的两个支承点间，齿轮和轴的选材均为锻钢，用键组成静联接。联结齿轮处轴的直径d=55mm，而齿轮轮毂的宽度为70，

28、载荷是轻微冲击。1.选择键联接的类型和尺寸为了满足该齿轮的定心精度，可选用平键联接。因为齿轮不位于轴端，所以可采用圆头普通平键。 根据d=56mm从表中查得键的截面尺寸为：宽度b=16，高度h=10，键长L取70（比轮毂宽度小些）。2. 键联接的强度校核 键，轴，轮毂的材料都是钢，由表查得其许用挤压应力=100-120MPa之间，可取其平均值，=110MPa。则键的长度L-b=54，相关的接触高度h=0.5h=0.510=5.00。 电动机的额定功率=11Kw,=0.909，=1500r/min,i=1.5625轴上的输入功率P=11Kw0.909=10KW 轴的转速 n=(1500/1.56

29、25)r/min=960r/min轴上的转矩T=9550P/n=(955010960)Nm=99.48Nm 由式(61)可得=(299.481000)(55456)=13.16MPa110MPa（合适）键的标记为： 键1610 GB/T10961979 （1）选择键联接的类型和尺寸为了满足从动V带轮的定心精度要求，可选取平键联接的方式。材料可选取圆头普通平键。按照d=35.000mm查得其截面尺寸：高度h=8.00，宽度b=10.00，可取键长L=90.00。（2）校核键联接的强度 键，轴的材料都是钢，轮毂的材料为铸铁，由表62查得许用挤压应力=50-60MPa，取其平均值，=55MPa。键的

30、工作长度L-b=9010=80，键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.58=4。 由式(61)可得=(299.481000)(48035)=17.76MPa55MPa（合适）键的标记为： 键108 GB/T10961979 主动V带轮与电动机主轴连接所用的键的选择其选材可选用铸铁，轴的选材则可选用锻钢，键采用静联接的方式联接。主动V带轮的轴的直径径d=42.0mm，V带轮的轮毂宽度为110，载荷是轻微冲击。3.7本章小结本章介绍了机械手设计时所要选择的材料、机械手的腕部与手臂的结构与其它们与齿轮齿条连接的方式，构成了所要设计机械手的大致结构，充分保证了机械手的正常运行。第4章 控制系统的设计

31、控制系统是工业机器人系统的一个关键组成部分，主要是来接收上位机传来的控制指令信号的，再通过相应控制程序转化为执行机构的运动。本课题所研究的高速高精度冲压转序机械手系统的控制，将时间顺序以与位置控制相结合。上位机与 PLC 的通讯通过 VC+编写通讯程序实现，PLC 与执行机构的通讯通过 RS232C 接口实现。4.1控制系统结构分析在电磁机械手系统中，控制系统是整个系统运行的中枢神经，控制整个系统的正常运行。控制系统的方式为上下位机的主从控制模式。主从控制即上位机和下位机分别以个人计算机和PLC为中心，采用这样的控制模式主要优点有：一方面利用 PLC 可靠性高与编程简单，并将其作为采集和控制任

32、务；另一方面运用个人计算机与相关程序实现监控功能和人机对话，同时也可实现故障诊断和报警等，如图 4-1 所示。 个 人 计 算 机 人机界面程序 PLC 电磁执行机构 图 4-1 控制系统结构流程图在电磁机械手控制系统中，上位承担责整个系统的优化、协调与正常的运行。主要负责两方面：对 PLC 发送控制命令，从而实现对机械手的控制；另一方面实时对系统进行监控，有良好监视和模拟运行功能。而下位机主要起对电磁机械手各电磁阀动作控、位置操作控制与反馈系统运行位置的信息等。由于电磁机械手受PLC的控制，从而使巨大而又复杂多变的控制系统、程序的编制、修改变得简单明了。电磁机械手控制系统不管是硬件还是软件部

33、分，都应具备功能齐全实用且作业稳定性可靠、系统可扩展性以与维护性良好等最基本要求。4.2PLC 选型与地址配置PLC是一种工业控制装置，在涉与工业智能化等行业上应用越来越广。若要合理的运用PLC实现电磁机械手的控制，首先必须了解PLC的构造特点以与工作原理，这对之后开发控制程序起到了决定作用。4.2.1PLC系统组成与工作原理PLC通常由CPU、存储器与后备电池、I/O接口电源等几个重要部分组成。PLC 的 CPU 顺序逐条对用户程序进行扫描，主要流程为：CPU 按控制要求编写好并储存在RAM中的程序里，按指令执行周期性循环扫描。每次扫的描过程里，还要进行对对输出状态的刷新和输入信号的采样等指

34、令，如此往复下去。PLC 的工作过程如图4-2 所示。输入存储器输入端口输入设备输出设备输出端子输出存储器执行程序输入刷新 一个扫描周期 输出刷新 一个扫描周期 图 4-2 PLC 的工作过程4.2.2 PLC 选型与地址配置时下 PLC 口碑比较好的有品牌有 SIEMENS、西门子、施耐德、美国的 GE公司、富士等，PLC 的选材要注意的几点：性价比高；扫描速度；被控对象的 I/O 点数以与工艺要求；自动诊断能力以与之后扩展等方面。本控制系统之中，总计涉与输入量 3 个，输出量 8 个，即 I/O 点数总计为 11 点。系统中选用松下公司 AFPX-L60R-F 型 PLC，有 32 个输入

35、点和 28 个输出点，满足系统应用要求。其性能规格如表 4-1 所示。 表 4-1 PLC 性能规格表 程序存容量 存容量32K部 基本指令 0.08us/指令 运算速度 应用指令 1.52-100us/指令 输入点数 X0-X32，32点（10进制编号） 点数 输出点数 X0-X28, 28点（10进制编号） 外部输入继电器 208点（X0-X12F） 继电器数 外部输出继电器 208点（Y0-Y12F） 部继电器 1008点（R0-R62F） 定时器/计数器设定值区（SV） 144字（SV0-SV143）储存区 定时器/计数器经过值区（EV） 144字（EVO-EV143） 索引寄存器（I

36、） 2字（IX，IY）整个电磁机械手系统总共用到五个气缸和两个真空吸盘，分别由八个电磁阀完成其动作的控制。其中五个两位五通电磁阀分别控制五个气缸的顺序动作动作，三个开关阀控制两个真空吸盘的吸放。PLC 程序的地址分配如表 4-2 所示：表 4-2 程序地址分配表 输入点配置 输出点配置 输入点号 名称 备注 输出点号 名称 备注 X0 手动开始 总程序启动 Y0 两位五通阀A 行程260气缸 X1 手动结束 总程序停止 Y1 两位五通阀B 行程80气缸 X10 光电传感器 检测异形槽 Y2 开关闸A 真空吸盘 信号 是否到位 Y10 两位四通阀C 行程300气缸 Y11 开关闸B 真空吸盘 Y

37、12 两位五通阀C 行程400气缸 Y13 两位五通阀D 行程20气缸 Y14 开关阀C 真空吸盘4.3 控制系统的硬件设计电磁机械手的控制主要包括：对气缸的控制以与对真空吸盘的控制。其中送料气缸的动作由光电传感器的检测信号来控制，首先光电传感器检测异形槽的位置，并将位置信号传送至 PLC，进而通过 PLC 控制气缸的动作。对取料气缸、机械手气缸和真空吸盘的控制我们采用了 PLC 直接控制电磁阀来驱动执行元件的方式，其中一个真空吸盘由一个开关阀直接控制，另一个真空吸盘由两个开关阀来控制负压空气的通断，可以有效的解决负压空气存留的问题，并提高响应速度。电磁机械手的控制系统，主要由 PLC一台、P

38、C机一台、RS232 通信板一块、光电传感器一个、各模块执行机构的电磁阀以与其它部件构成。该系统可以实现两种控制方式：（1）由使用者操作手动控制面板人工控制，可以控制气缸的所有动作，但不能监控其状态；PLC 二位五通阀A二位五通阀A 开关阀A 手动控制面板 真空吸盘A 开关阀B 水平气缸S260二位五通阀B通信板 垂直气缸B二位五通阀C 个人计算机 真空吸盘B 开关阀C 机械手气缸S400二位五通阀D 机械手气缸S20二位五通阀E 图 4-3 控制系统的硬件模块组成能对运动精度进行判断和控制。通过分析电磁机械手的功能与其控制系统部件特性，根据最终所选择的电磁阀以与控制方式，对照图 4-3，可以

39、设计出电磁机械手整个控制系统的电气原理图，根据设计的电气原理图进行硬件的连接与 PLC 的接线，SB0-启动，SB1-停止，SB2-光电开关 1、2、4、6、7-两位五。（2）能对运动精度进行判断和控制。通过分析气动机械手的功能与其控制系部件特性，根据最终所选择的电磁阀以与控制方式，对照图 4-3，可以设计出电磁机械手整个控制系统的电气原理图，根据设计的电气原理图进行硬件的连接与 PLC 的接线，具体电气原理图如图 4-4 所示。而）通过 PLC 的 RS232C 接口，使用 PC 机实现远程控制。其中手动控制能实现各类动作，但是精度不是很高；PLC 与 PC 机能实现精能对运动精度进行判断和

40、控制。通过分析气动机械手的功能与其控制系统部件特性，根据最终所选择的电磁阀以与控制方式，对照图 4-3，可以设计出气动机械手整个控制系统的电气原理图，根据设计的电气原理图进行硬件的连接与 PLC 的接线，具体电气原理图如图 4-4 所示。而确定位运动，且能对运动精度进行判断和控制。通过分析气动机械手的功能与其控制系统部件特性，根据最终所选择的电磁阀以与控制方式，对照图 4-3，可以设计出气动机械手整个控制系统的电气原理图，根据设计的电气原理图进行硬件的连接与 PLC 的接线，具体电气原理图如图4-4 所示4.4控制系统的软件设计4.4.1控制系统软件的模块结构计算机界面程序和PLC 控制程序构

41、成该控制系统。其中PLC 程序选用松下 FPX 系列的PLC 编程工具 Control FPWIN GR Ver2.7 编程，计算机界面程序选用 VC+6.0 来编程。控制软件的模块结构如图 4-5 所示， 用户界面 登录模块 管理模块参数输入、编辑模块 监控模块 数据处理模块 上位机通信模块VC+程序 PLC通信模块PLC程序 位置测量模块 执行模块 图4-5 软件的模块结构通过分析气动机械手的功能要求，以与机械手各执行机构的动作顺序与控制方式，编制主程序流程图，以便于按照流程图绘制梯形图与编写 PLC 与计算机的通信程序。最初电气控制是继电器回路控制，如今已发展成为可编程控制器控制，因为P

42、LC使用方便灵活、可靠性较强与编程简单等优点。运用PLC控制，很大程度上简化了设计，缩短了调试周期。4.4.2 PLC 程序设计步骤PLC 的控制系统是由程序来实现控制的，因此大部分的工作时间用在程序编写设计上。PLC 的程序设计有下面六个流程进行：（1）了解机械手作业的动作与其顺序；（2）对输入输出设备进行合理分配，即确定PLC接受哪些设备的信号，以与PLC发送信号给哪些设备，并对PLC 的输入以与输出端子进行分配；（3）运用编程工具编写设计PLC 程序；（4）对已编写好的程序进行调试；（5）将已编写好的程序固化到PLC中，完成设计过程。4.4.3 PLC 程序的实现PLC 编程软件选用的是

43、 Control FPWIN GR Ver2.7 编程软件，该软件应用于 windows 环境下，创建程序由软件的指令系统的三种编辑器来完成的：梯形图、语句表和功能块图。运用以上三种程序编辑器的任何一种编写程序，都可以用另外的形式表现出程序。相比计算机语言，梯形图可作为 PLC 的高级语言，不必去想系统部的硬件逻辑和结构原理。功能块图的图形结构跟数字电路颇为相似，功能块图模块之间的连接方式跟数字电路的也大概一致。4.4.4 PLC 程序的调试运行为了提供系统一个稳定运行的环境，保证程序运行的正确性，必需首先对 编写好的PLC 程序在计算机上模拟运行，运用虚拟开关量看作 PLC 输出信号来模拟

44、PLC 控制机械手的运行。编程软件Control FPWIN GR Ver2.7 具备的监控功能，可以实时的观察代表元件与触点的执行状况。如果模拟运行一切正常，则可进行现场调试。设置若干间断点，分别对各个程序段进行现场调试，来适度简化程序调试过程。是否协调，延迟时间和压力是否符合运行要求。在真空吸盘动作中，为了达到吸取的准确性，可以调节对应的延迟时间。4.5 PLC 与计算机通讯与硬件接口在自动化生产行业中，自动控制技术迈向成熟，出现了管控一体化的自动化控制系统。选用中央计算机的数据管理级属于最高级，计算机进行监视和控制的控制中心属于中间级，可编程控制器对现场设备进行直接控制属于最低级。4.5

45、.1 PLC 与计算机通讯的硬件设计数据通信的传输方式可分为两种，如图4-7 所示。串行通信：数据按顺序逐位发送或接收。串行通信的特点：虽然数据传送速度缓慢，但信号线较少，适合远距离传送信号。所以，计算机和 PLC 之间一般选用串行通信技术。并行通信：数据的各个位置同时发送或接收；并行通信传送速度快，在传送二进制数据时和据传输线的数目一样，因此适合近距离的通信。外设计算机外设计算机图 4-7 并行通信与串行通信本系统中PLC型号为AFPX-L60R-F，计算机为普通的带RS-232C端口的PC机。计算机与PLC之间采用RS-232C串行通信方式，PLC上安装了通信用功能扩展板。计算机与一台AF

46、PX-L60R-F型PLC以主从方式的通信方式通信，其中计算机为主站，并且可以自主读写PLC的存储区。4.5.2 PLC 与计算机通讯的软件设计1、PLC 与计算机的通信协议与其格式计算机与PLC通信一般采用的是RS485 或RS232 接口，信息交换以帧的格式进行信息帧由ASCII字符串组成，而将松下电工公司的专用通信协议MEWTOCOL-COM标准协议作为通信规。计算机作为主站，PLC为从站，通常通信由主站发出，并将指令帧发向从站，从站一般以响应帧或错误帧的方式做应答。 表 4-3 命令帧格式计算机运用 MEWTOCOL-COM 协议提供的命令对PLC的寄存器、计数器、定时器、辅助寄存器、

47、寄存器 进行读写与监控。不同的命令可以通过命令帧中的命令代码来区分。2、通讯程序流程根据 PLC 的通讯原理，本系统的通讯程序流程如图 4-9 所示。通信子程序是主程序重要的组成部分，其主要由五个子程序组成：通讯出错处理子程序；接收子程序；检验子程序；发送子程序；通信的参数进行初始化。 开始 程序初始化 写操作读操作输入写基本参数输入读基本参数发送命令帧收取响应帧检验响应帧是否真确？ N 通讯无效 结束 Y 通讯有效图 4-9 通讯程序框图4.5.3 总程序实现总程序主要由六个子程序构成：键盘字符输入判断子程序；读当前位置显示子程序发出传送目标位置状态子程序；发出传送开关量命令子程序；发送给

48、PLC 确认报文子程序；结合上述子程序和上节中的通信子程序，利用 VC+6.0 编程工具，可以方便的实现电磁机械手的控制程序，主程序界面如图 4-10 所示。当总程序启动后，自动对系统进行初始化，初始化结束后可以对控制方式进行选择，有三种控制方式菜单选项：一种是计算机控制模式，一种是手动控制模式，还有一种是自动控制模式。其具体操作过程为：当选择计算机控制模式后，系统自动定义与 PLC 之间的串口通信，当按下“总程序启动”，系统将从 PLC 读取当前各电磁继电器信息，并进行初始化。这个时候后面“取料”、“送料”、“套取”三个动作被激活，按下相应按钮将执行相应动作。按下“总程序关闭”按钮，这个时候

49、整个程序停止运行。在吸盘模块中，按下“吸取”或者“松开”，系统通过通信子程序将吸取命令发送给 PLC，然后由 PLC 完成真空吸盘的吸取或松开动作。选择手动控制模式时，有三个按钮分别对应实物中的三个按钮，分别是启动、停止和光电开关的代替按钮。选择 PLC 自动控制模式时，按下“自动控制”按钮，气动机械手将在 PLC 控制下，按设定好的程序自动运行。其中光电开关的代替按钮是为了实验所设。4.6 本章小结本章在分析机器人系统的控制功能需求的基础上，设计机械手的控制系统。在硬件设计上，控制系统采用上下位机的主从控制结构，主控计算机和 PLC 之间采用串口通信，使主控计算机可以灵活的与 PLC 进行数据交换。在软件设计上，采用梯形图语言编写控制程序，实现 PLC 对机械手动作的控制。第5章 总结通过此次毕业设计，加深了我对机械手的