本科机械专业毕业论文

毕业设计(论文)

论文题目

基于PLC机械手设计

姓名

学号

专业机械设计制造及其自动化

指导教师

2014年3月10日

摘要

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工

业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造

和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准

确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

关键字

工业机械手，电磁阀，可编程控制器（PLC）

Abstract

Industrial manipulator is a kind of high-tech automated production equipment,which is developed in recent decades.Industrial manipulator is an important branch of industrial robots.Its characteristics is that it can do the

expected task by programming , and it has the respective advantage of both man

and machine on the structure and performance, particularly in the person's intelligence and adaptability.The accuracy of the manipulator operation and the

ability to work in the environment has a broad space for development in the field

of national economy.

Manipulator is a kind of multifunctional machine which can be automatically controlled and can be changed by new programming, it has multiple degrees of freedom

and can complete the work carry objects in different environments.At first,the

structure of manipulator is relatively simple,but in has a strong specificity.With

the development of industrial technology, Industrial manipulator is produced with

the process control to independently achieve repetitive operation, which is called "universal manipulator for program control" in wide scope of application, which

is called shortly as general manipulator.Because of general manipulator can

quickly change the working procedure with strong adaptability, it was widely quoted

by changing in the medium and small batch production of products .

Key words

Industrial manipulator,Solenoid valve,Programmable Logic Controller(PLC)

摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (3)

前言 (4)

第一章机械手简介 (5)

1.1 机械手的发展史 (5)

1.2 机械手的分类 (5)

1.3 功能与构成 (6)

1.3.1 执行机构 (7)

1.3.2 驱动机构 (7)

1.3.3 控制系统 (8)

1.4 课题的提出 (8)

1.4.1 应用前景 (8)

1.4.2 市场需求 (8)

1.4.3 应用领域 (9)

第二章机械手整体设计方案 (9)

2.1 机械手总体设计 (9)

2.1.1机械手整体结构的类型 (9)

2.2 机械手工作过程 (10)

第三章机械手控制系统设计 (12)

3.1 可编程序控制器简介 (12)

3.1.1 PLC的结构 (12)

3.1.2 PLC的特点 (13)

3.1.3 PLC的主要功能 (14)

3.2 控制系统硬件设计 (14)

3.2.1 PLC选型 (14)

3.2.2地址分配 (15)

3.3 控制系统软件设计 (16)

3.4 PLC程序的调试 (21)

3.4.1 PLC控制的安装与布线 (21)

第四章结论 (22)

参考文献 (23)

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。

在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手臂与有人类的手臂最大区别就

在于灵活度与耐力度。也就是机械手的最大优势可以重复的做同一动作在机械正常情况下永远也不会觉得累！机械手臂的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和环境中完成作业的能力。工业机械手是机器人的一个重要分支。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术[1]。

第一章机械手简介

1.1 机械手的发展史

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KuKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多[2]。

1.2 机械手的分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范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轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

1.3 功能与构成

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装

置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件

受力状态简单。

常用导向装置结构形式有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式[3]。

3、躯干

躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。

1.3.2 驱动机构

机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。

1、液压驱动式

液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。

2、气压驱动式

其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。

3、电气驱动式

电气驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。

4、机械驱动式

机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。

其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动[4]。

1.3.3 控制系统

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、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。

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程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。

其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。

对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。

控制系统以插销板用的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运动一周便完成一个循环。

1.4 课题的提出

1.4.1 应用前景

随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业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各自的优点，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，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

1.4.2 市场需求

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然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力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两个大因素：

一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛[5]。

1.4.3 应用领域

1.工业制造领域：

主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。

2.军事领域：

主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。

3.娱乐领域：

机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。

4.医疗领域：

机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒。

第二章机械手整体设计方案

2.1 机械手总体设计

2.1.1机械手整体结构的类型

1.直角坐标机器人结构

直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机器人结构

圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆

柱状的空间。

3. 球坐标机器人结构

球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

4. 关节型机器人结构

关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人[6]。

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

图2-1 四种机器人坐标形式

2.2 机械手工作过程

本课题采用直角坐标设计。机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将完成一系列动作：从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。于是又开始下降—放松—再上升—左移，回到原点。至此机械手经过8步动作完成了一个周期。

上诉过程中，机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

光电开关的作用是为了保证机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬运到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停等待。

当按下启动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续共组，直到停止按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。

启动控制有2种，1个由启动开关安装在现场，1个由通过组态王软件控制。在控制面板上，安装一个档位开关，分手动和自动两大档位，手动挡包括调试和回原位两档，自动挡分单步、半自动和全自动三档，要求自动挡的操作必须在回原位的基础上才能进行。

原位下降夹紧上升右移

左移上移放松下降

第三章机械手控制系统设计

3.1 可编程序控制器简介

可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务[7]。

3.1.1 PLC的结构

PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC 的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。其结构简图如下：

图3-1 PLC硬件结构图

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC 本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。

3.1.2 PLC的特点

可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序

控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍[8]。其主要原因是因为PLC具有以下优点：

1、灵活、通用

在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。

2、可靠性高、抗干扰能力强

对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件(如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等)下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。

3、操作方便、维修容易

PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。

4、功能强

现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A 转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。

5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化

由于PLC采用了半导体集成电路。因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。且PLC 是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备[。

同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。

3.1.3 PLC的主要功能

PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。

PLC系统主要有以下功能：

1)多种控制功能；

2)数据采集、存储与处理功能；

3)通信联网功能；

4)输入、输出接口调理功能；

5)人机界面功能；

6)编程、调试功能。

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求[9]。

3.2 控制系统硬件设计

3.2.1 PLC选型

S7-200丰富的种类：

·CPU221：内置10个数字量I/O点，不可扩充；

·CPU222：内置14个数字量I/O点，可扩充到78路数字量I/O或10路模拟量I/O；·CPU224：内置24个数字量I/O点，可扩充到168路数字量I/O或35路模拟量I/O；·CPU226：内置40个数字量I/O点，可扩充到248路数字量I/O或35路模拟量I/O；

选择PLC时，应考虑性能价格比[10]。

考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响，在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

综合考虑，现选择主机为西门子S7-200中的CPU226，因为他能扩展七个模块。模块1-模块4为EM232，它是模拟量输出模块，每个模块有两个输出通道，能够满足需要。电源为220V交流电[11][12]。

3.2.2地址分配

（1）输入地址分配：

（2）输出地址分配：

（3）硬件PLC连接图

通过机械手的输入和输出地址分配得出如下硬件连接图：

3.3 控制系统软件设计

机械手工作原理及过程：机械手的初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将完成一系列动作：从原点开始，按下启动按钮SB1时，下降电磁阀Q0.1通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关SQ2，下降电磁阀Q0.1断电，机械手下降停止；同时接通夹紧电磁阀Q0.2，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀Q0.1通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关SQ1，上升电磁阀Q0.0断电，上升停止；同时接通右移电磁阀Q0.4，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关SQ4，右移电磁阀Q0.4断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关PS0接通，下降电磁阀QO.1通电，机械手下降。于是又开始下降—放松—再上升—左移，回到原点。至此机械手经过8步动作完成了一个周期[13][14]。

上诉过程中，机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的。

光电开关的作用是为了保证机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬运到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停等待。

当按下启动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续共组，直到按下停止按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。

根据机械手的工作过程现将机械手流程图设计如下图所示：

通过机械手工作的流程图得到相应的软件程序如下所示：