毕业设计（论文）-机械手的设计.doc

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1、 机械手的设计系 部： 电子与通信工程系 学生姓名： 专业班级： 电子10C1 学 号： 指导教师： 年 月 日声 明本人所呈交的机械手的设计 ，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 日期： 【摘要】随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器手的工业领域逐步拓展到各大领域。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。本设计中主要对控制机械手PLC的结构选型，机械手

2、自动控制是类顺序控制类，采用步进状态编程，其次利用组态王软件产生各个方向上的极限开关信号，提供给PLC，用内存整型变量来控制机械手的运动，夹爪的夹紧与松开等。并用仿真软件进行程序编程。上载程序用仿真软件进行运动过程调试分析以此来改善程序设计，直到得出满意的结果为止。最终成果：满足机械手抓运物体的设计要求。【关键词】：可编程控制器PLC 机械手 步进电机ABSTRACTWith the microelectronics technology, sensor technology, control technology and the rapid development of the mechan

3、ical manufacturing process level, and gradually expand to all major industrial areas of the robot field. The robot is an automated positioning control and can be re-programmed to change in the multi-purpose machine. Mainly in the design of the control structure of the robot PLC Selection robot autom

4、atic control the class sequence control class, to stepper state programming, followed by the configuration the king software limit switch signal in all directions, to the PLC, the memory whole type variable to control the movement of the manipulator, the clamping jaws and release the like. Programmi

5、ng and simulation software. Upload procedures motion the process of debugging analysis using simulation software to improve program design, until satisfied with the results so far. Final results: meet the design requirements of the mechanical clutch transported objects.【 key words 】 : programmable l

6、ogic controller PLC robot stepper motor目 录引言1一、机械手的介绍及工作原理2（一） 机械手的基本组成结构与应用2（二） 机械手的工作原理4二、控制系统的PLC选型5（一）PLC程序结构形式的选择5（二）对输入/输出点的选择5（三）对存储容量的选择6（四）对I/O响应时间6（五）根据输出负载特点选型6三、控制系统的硬件7（一）按钮与限位开关的设计7（二）继电器的选择设计9（三）PLC的I/O地址分配表10（四）PLC梯形图中的编程元件11四 、控制系统软件12（一）机械手的运行流程设计12（二）控制源程序设计介绍144.2.1初始位置辅助继电器144.2

7、.2向下运动144.2.3夹工件154.2.4向上运动154.2.5向右运动164.2.6放下工件164.2.7向左运动17（三）PLC程序的上载与下载18总 结20致谢21参考文献22附录231、机械手主电路图232 、机械手梯形图233、PLC外部接线254、机械手元件清单26引言随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金

8、、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了传感反馈自动，机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术

9、。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。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

10、机械手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。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势一、机械手的介绍及工作原理（一） 机械手的基本组成结构与应用随着工业自动化的普及和发展，工业上机械手的应用业越来越广泛，对机械手的控制要求和精度也越来越高。下面一三菱公司的PLC为例，设计一个简单的机械手移动工件控制系统。图a所示为一简易物料搬运机械手的工艺流程图。该机械手石一个水平/垂直位移的机械设备，其操作是将工件从

11、左工作台搬运到右工作台。机械手移动工件的基本结构图如图a所示。 图a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，可以转动、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。手指的数量又可以分为二指、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

12、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。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。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。控制系统可以根据动作的要求，设计采用顺序控制，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

13、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。目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，改善作业条件。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

14、击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。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。 图1 常见机械手图（二） 机械手的工作原理机械手移动工件通过限位开关和电机来控制。（1） 机械手分别通过前进/后退电机、上升、下降电机的正反转来上、下、左、右移动，移动的最大位置通过上、下、左、右4个限位开关控制。（2） 夹放工件通过夹紧、放下电机的正反转来控制。夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间，在这个时间内，机械手能完全夹紧工件。放下工件通过松限位开关来控制。（3） 按下启动按钮，整个系统按照PLC程序的设定有序的运行；正常停车时，按下正常停车按钮，等机械手运

15、行到初始位置，停车。当按下即停按钮时，系统不管运行到什么状态，都要立即停止。启动按钮前进/后退电机PLC停止按钮上升/下降电机急停按钮夹取/放下电机限位开关（上、下、左、右、松）图 1.4 机械手总体框图二、控制系统的PLC选型（一）PLC程序结构形式的选择FX2N系列PLC是三菱公司的高性能叠装式机种。可以分配不同的单元：基本单元、扩展单元和特殊单元。基本单元内含有CPU，存储器和I/O电路，要增加系统的I/O点数可联接扩展单元，增加系统的控制功能，则可以连接相应的特殊单元。在本系统中，配置基本单元就可以满足控制要求。不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择

16、晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。即选用FX2N-32MR继电器输出型PLC作为机械手移动工件的控制系统。机械手移动工件控制以三菱公司的FX2N 系列PLC为例，PLC框架配置如图1C所示: 图 1-C （二）对输入/输出点的选择要先弄清楚控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 20 留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数

17、。在本设计中 I/O总点数为16，所以所需PLC点数需要在20以上。另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60 ；本设计中的输入点为8，所以PLC所需的输入的总输入点需要大于14。 PLC 每个输出点的驱动能力（ A/ 点）也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信

18、号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。（三）对存储容量的选择用户对存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点输出总点数乘 5 字 / 点来估算，本设计中的开关量为830；计数器 / 定时器按（ 3 5 ）字 / 个估算，本设计中有一个定时器。最后，一般按估算容量的 50 100 留有裕量。 （四）对I/O响应时间PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响

19、应问题。（五）根据输出负载特点选型不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。本设计中的在负载都式动作不频繁的交、直流负载，因此选用继电器输出型的。继电器输出型的 PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。三、控制系统的硬件（一）按钮与限位开关的设计按钮是最常用的主令电器，在低压控制电路中用于手动发出控制信号。它由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。按用途和结构的不同，分为启动按钮、停止按钮、急停按钮和复合按钮等。在机械手控制系统的设计中，选用分别选用了一个启动按钮，一个停止按钮，一

20、个急停按钮，其原理分别为：启动按钮带有常开触头，手指按下钮帽，常开触头闭合；手指松开，常开触头复位。停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮帽，常闭触头断开；手指松开，常闭触头复位。急停按钮按下之后，机械手移动工件立即停止；急停按钮解除后，所有输出重新开始。一按按钮，机床就能锁住，解除的方法是旋转后解除。 注1：紧急停时，电机的电源被切断。 注2：在解除急停以前，要消除机械手异常的因素。在机械手设备中，所选用按钮的主要技术数据如表11所示：表11 按钮的技术数据 型号触头组合按钮颜色LA2510常开绿色LA2501常闭红色KA54211常开常闭灰色限位开关(又称行程开关)，用于控制机械设备的行程及限

21、位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。本设计为机械手移动工件的设计，该控制系统中出现了机械手向下/上运动，向左/右运动和松开工件，从而需要五个限位开关来控制，直动式行程开关 其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于

22、速度低于04mmin的场所，在机械手控制系统选用直流防护式限位开关。限位开关的技术数据如表12所示： 表12 限位开关的技术数据型号额定电压/V额定电流/A触头数量结构形式个数交流直流常开常闭JLXK1-311500440511直动防护式5（二）继电器的选择设计继电器的工作原理是当某一输入量(如电压、电流、温度、速度、压力等)达到预定数值时，使它动作，以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。在本设计中需要6个正反转继电器和1个辅助继电器。本设计所选用的辅助继电器的型号为LY2-0 DC48V，正反转继电器的技术数据如表13与常用继电器

23、如图1.4所示： 表13 正反转继电器的技术数据型号触点数量触电容量工作电压个数JZF-53个常开触点AC250V 5A220V6图 1.4 常用继电器图（三）PLC的I/O地址分配表由于CPU模块有16点数字量输入，16点数字量的输出，因此不再需要输入/输出模块。I/O分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000X007，输出端子对应的输出地址是Y000X017。表14 I/O地址表对应地址对应的外部设备输入地址X000启动按钮X001停止按钮X002紧急停止按钮X003上限位开关X004下限位开关X005左限位开关X006右限位开关X007松限位开关输出地址Y000前进/

24、后退电机正转继电器（前进）Y001前进/后退电机反转继电器（后退）Y002上升/下降电机正转继电器（上升）Y003上升/下降电机反转继电器（下降）Y004夹紧/放下电机正转继电器（夹紧）Y005夹紧/放下电机反转继电器（放下）功能定时器T0夹紧工件时定时5S内部继电器M0机械手的初始位置（四）PLC梯形图中的编程元件设计选用FX2N60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。特殊辅助继电器M8000运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；M8002初始脉冲（仅在P

25、LC运行开始时接通一个扫描周期）；M8005PLC后备锂电池电压过低时接通；M801110ms时钟脉冲； M80131s时钟脉冲；M8012100ms时钟脉冲； M80141min时钟脉冲。26四 、控制系统软件（一）机械手的运行流程设计 ，当正常运行流程图正常运行流程图，如图1D所示：（由于图较大见下一页） 紧急停止流程图，紧急停止流程图如图1E所示： 图1E 紧急停止的流程图 图1D 正常运行流程图 （二）控制源程序设计介绍4.2.1初始位置辅助继电器M0是初始位置辅助继电器，当机械手的位置在左上方时，M0得电。它的助记符程序为：LD X003AND X005OUT M0 ;机械手在初始位

26、置 所对应得梯形图如图1-F所示： 图1-F 初始位置辅助继电器梯形图4.2.2向下运动机械手在初始位置时，按下启动按钮，机械手开始向下运动，运动到最下端停止；当机械手夹着工件运动到最右边时，开始向下运动，运动到下端停止；当紧急停止按钮按下时，停止向下运动。它的助记符程序为：LD X000 OR Y003AND M0 ANI X004LD X006 ANI X002ORB ANI X001 OUT Y003 ；机械手向下运动 所对应得梯形图如图1G所示： 图1G 向下运动梯形图4.2.3夹工件当机械手运动到左下方时，开始夹工件，夹5S；当紧急停止按钮按下时，停止夹工件。它的助记符程序为：LD

27、X004 ANI T0AND X005 OUT Y004 ；机械手夹工件OR Y004 OUT T0 K50定时5S钟ANI X002所对应的梯形图如图1H所示: 图1H 夹工件梯形图4.2.4向上运动机械手夹紧工件后或者工件放下后，开始向上运动，运动到最上端停止；当紧急停止按钮按下时，停止向上运动。它的助记符程序为:LD T0 ANI X003OR X007 ANI X002OR Y002 OUT Y002 ；机械手向上运动所对应的梯形图如图1I所示： 图1I 向上运动梯形图4.2.5向右运动机械手夹紧工件，上升到最上端后，开始向右运动，运动到最右端停止；当紧急停止按钮按下时，停止向右运动。

28、它的助记符程序为:LDI X007 ANI X006AND X003 ANI X002OR Y000 OUT Y000 ；机械手夹着工件向右移动 所对应的梯形图如图1J所示： 图1J 向右运动梯形图4.2.6放下工件当机械手运动到最右、最下端时，开始放下工件；当紧急停止按钮按下时，停止放下工件。它的助记符程序为：LD X004 ANI X007AND X006 ANI X002OR Y005 OUT Y005 ；机械手放下工件所对应的梯形图如图1K所示： 图1K 放下工件梯形图4.2.7向左运动机械手放下工件，上升到最上端后，开始向左运动，运动到最左端停止；当紧急停止按钮按下时，停止向左运动。

29、它得助记符程序为：LD X003 ANI X005 AND X006 ANI X002OR Y001 AND X007 OUT Y001 ；机械手向左移动所对应得梯形图如图1L所示： 图1 L 向左运动梯形图（三）PLC程序的上载与下载所谓PLC程序的上载,就是把PLC中的程序读入到计算机中,其操作步骤如下：1、通信电缆的连接。应使用编程转换接口电缆SC09连接好计算机的RS232C接口和PLC的RS422编程器接口。2、端口设置。选择“PLC”菜单下的“端口设置”菜单命令，可选择计算机与PLC通信的RS232C串行口（COM1COM4）和“传送速率”（9600或19200bit/s）。3、程

30、序上载。选择“PLC”菜单下的“传送”子菜单中的“读入”，就会弹出如图4-10所示的“PLC类型选择对话框”，选择实际型号的PLC类型后，点“确定”按钮后，将PLC中的程序读入到计算机中。 图4-9 程序读入PLC类型选择对话框所谓PLC程序的下载，就是把计算机中的程序写入到PLC中，其操作步骤是“通信电缆的连接”和“端口设置”，同“PLC的程序的上载”中的步骤1和2。而PLC程序的下载的操作步骤是：在执行下载功能时，首先应将PLC上的主机开关拨在“STOP”位置，如果使用了RAM或EEPROM存储器卡，其写保护在处于关断状态。选择“PLC”菜单下“传送”子菜单中“写出”，将计算机中的程序发送

31、到PLC中，在弹出的窗口中选择“范围设置”，如图4-11所示，可减少写入所需的时间。 图4-10 程序写出对话框另外，执行菜单命令“PLC传送校验”是用来比较计算机和PLC中的顺序程序是否相同。如果二者不符合，将显示与PLC不相符的指令的步序号。选中某一步序号，可显示计算机和PLC中该步的序号指令。总 结通过本次毕业设计让我更进一步的了解了三菱公司FX系列单片机的特点,并且学会如何对按钮、电磁阀、编码盘以及其他一些输入/输出点进行控制，实现了工业机械手模型的手动和自动控制。设计中我采用PLC进行工业机械手模型运行控制，对电机、行程开关及其他一些输入/输出点进行控制，实现了机械加工中移动工件的自

32、动化。机械手作为工件取送设备虽然应用于不同的场合，其具体的工作情况不同，但本质的工作过程却是类似的。采用PLC对机械手进行控制也是目前常见的控制方式，本设计给出的机械手控制程序，控制系统的硬件结构大为简化，系统的可靠性和灵活性都大大提高，可以应用于大部分的类似场合。这期间提高了我构建实际PLC控制系统的能力以及了解了对程序调试的步骤和方法。熟悉了PLC的I/O的连接方法。和对一些硬件根据实际要求进行适当的选择。在这次毕业设计过程中，我对所涉及的知识有了更进一步的掌握，对实用化的技术理论有了更清晰了解。知道设计的方法，如何去查阅资料，怎样去解决问题，为以后做设计铺平道路。当然我的设计中有不足的地

33、方，如设计结构比较简单，可运行的步骤少，机械手的灵活性不够高。希望将来的学生能将这个机械手功能丰富，并讲究工艺水平，使这个机械手变得更美观、更具有实际应用性。针对我自己所设计的机械手，提出进一步开展研究的展望和设想：设置机械手的底座是可以旋转移动的，这样机械手的活动范围更广；机械手的肢体关节，可有成角度的弯曲，这样更有利于抓拿放物体时，对工件进行准确的定位。致谢感谢我的指导老师，在论文的选题、开题报告以及论文的撰写过程中居老师多次询问研究进程，自始至终我都得到了居老师的指导、热情帮助，并为我指点迷津帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励使我的毕业设计顺利完成。 感谢所有老师这两年来的教导，其中

34、吴振英老师，朴老师，戴老师你们一丝不苟的作风，严谨求实的教学态度，踏踏实实的精神给我留下深刻的印象，不仅传授我知识，而且教我做人，虽历时两载，却使我终生受益。对你们的感激之情是无法用言语表达的。此外也感谢其他所有任课教师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我们的学校为我们提供了良好的学习环境以及学习设备，为我不断吸取新知识提供了良好的源泉。感谢评阅我论文的各位老师，你们耐心查阅并给我指出不足之处，使我的论文进一步完善，符合标准。参考文献【1】 殷庆纵 李洪群可编程控制器件 清华大学出版社 2010年3月【2】 殷洪义 吴建华主编.PLC原理与实

35、践北京清华大学出版社,2008年10月 299-308【3】 肖明耀三菱FX系列PLC应用技能实训中国电力出版社 2010年6月 111-117【4】 夏辛明 可编程控制器技术及应用 北京理工大学出版社，2008年10月 【5】 王也仿 可编程控制器应用技术 机械工业出版社，2008年6月 【6】 汪志锋 可编程序控制器原理与应用 西安电子科技大学出版社 2008年9月附录1、机械手主电路图 2 、机械手梯形图3、PLC外部接线机械手控制系统外部接线图如图1N所示：4、机械手元件清单元器件名称型号数量生产公司备注启动按钮LA25101三菱常开停止按钮LA25011三菱常闭急停按钮KA542111三菱常开常闭行程开关JLXK1-3115三菱直流防护式辅助继电器LY2-0 DC48V1三菱3个常开触点正反转继电器JZF56三菱AC250V 5A