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1、目 錄摘 要I第1章 緒論11.1 課題背景11.2 機(jī)械手的定義與分類(lèi)11.3 機(jī)械手應(yīng)用及組成結(jié)構(gòu)21.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)31.5 總體設(shè)計(jì)要求3第2章 PLC的介紹與選擇52.1 PLC的特點(diǎn)52.2 PLC的選型52.3 三菱FX系列的結(jié)構(gòu)功能7第3章 各功能實(shí)現(xiàn)形式與控制方式93.1 本機(jī)械手模型的機(jī)能和特性93.2 夾緊機(jī)構(gòu)93.3 軀干93.4 旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)10第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)114.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)114.1.1 PLC梯形圖中的編程元件114.1.2 PLC的I/O分配114.1.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)的外部接線(xiàn)圖124.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.2.1 公用程序134

2、.2.2 自動(dòng)操作程序154.2.3手動(dòng)單步操作程序204.2.4 回原位程序234.3 PLC程序的上載和下載254.3.1 PLC程序的上載254.3.2 PLC程序的下載25第5章 設(shè)計(jì)小結(jié)27致 謝28參 考 文 獻(xiàn)29第1章 緒論1.1 課題背景隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，生產(chǎn)工況也有趨于惡劣的態(tài)勢(shì)，這對(duì)一線(xiàn)工人的操作技能也提出了更高的要求，同時(shí)操作工人的工作安全也受到了相應(yīng)的威脅。工人工作環(huán)境和工作內(nèi)容也要求理想化簡(jiǎn)單化，對(duì)于一些往復(fù)的工作由機(jī)械手遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，如冶金、化工、醫(yī)藥、航空航天等。在機(jī)

3、械制造業(yè)中，機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料以及焊接、噴漆等作業(yè)，它可以按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，有些還具備有傳感反饋能力，能應(yīng)付外界的變化。如果機(jī)械手發(fā)生某些偏離時(shí)，會(huì)引起零部件甚至機(jī)械本身的損壞，但若有了傳感反饋?zhàn)詣?dòng)，機(jī)械手就可以根據(jù)反饋?zhàn)孕姓{(diào)整。應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子

4、技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來(lái)越多的應(yīng)用，機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。借助PLC強(qiáng)大的工業(yè)處理能力，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化?；诖怂悸吩O(shè)計(jì)的機(jī)械手，在實(shí)現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過(guò)程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。同時(shí)，借助組態(tài)軟件的輔助作用，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分

5、支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。1.2 機(jī)械手的定義與分類(lèi)機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生產(chǎn)工藝要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此

6、，它能大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，并投入了大量的物力和財(cái)力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。機(jī)械手一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定工作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球、火星等

7、。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線(xiàn)上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型可歸為第一類(lèi)，即通用機(jī)械手。1.3 機(jī)械手應(yīng)用及組成結(jié)構(gòu)目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線(xiàn)傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面都能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在國(guó)內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，專(zhuān)用條件還要研制示教機(jī)械手、組合機(jī)械手等。將機(jī)械手

8、各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于不同類(lèi)型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。手部裝在手臂前端，可以轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系統(tǒng)模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。本設(shè)

9、計(jì)采用二指的構(gòu)造。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確地定位?？傊瑱C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)直線(xiàn)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線(xiàn)液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服液壓馬達(dá)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)架。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以電氣、氣動(dòng)用得最多，占90以上，液壓、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用得較少。液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)液壓缸、閥、油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用46個(gè)大氣壓，個(gè)別達(dá)到81

10、0個(gè)大氣壓。本設(shè)計(jì)的手爪部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流或交流的伺服電動(dòng)機(jī)、變速箱等。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪和機(jī)械手的底盤(pán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)只適用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90以上。控制系統(tǒng)可以根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制，它首先要編制程序加以?xún)?chǔ)存，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手工作。對(duì)動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)

11、。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實(shí)現(xiàn)，具有編程簡(jiǎn)單、修改容易、可靠性高等。1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)機(jī)械手自二十世紀(jì)六十年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中重要的機(jī)電設(shè)備。目前，機(jī)械手技術(shù)有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機(jī)械手、微型機(jī)械手和微操作系統(tǒng)（如細(xì)小工業(yè)管道機(jī)械手移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、微型飛行器等）、機(jī)械手化機(jī)器、智能機(jī)械手（不僅可以進(jìn)行事先設(shè)定的動(dòng)作，還可按照工作狀況相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)作，如回避障礙物的移動(dòng)，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)方向擴(kuò)展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機(jī)械手也將越來(lái)越多地裝備部隊(duì)。國(guó)外方面：近幾年國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)

12、域有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)械手性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制。國(guó)內(nèi)方面：目前在一些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、特種機(jī)械手（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)械手）基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件的設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線(xiàn)、弧焊自動(dòng)線(xiàn)及其周邊配套設(shè)備的全套自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)械手焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突

13、破。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)已經(jīng)具備了獨(dú)立自主發(fā)展中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的基礎(chǔ)。1.5 總體設(shè)計(jì)要求1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖圖1-1機(jī)械手示意圖1、手爪張開(kāi)閉合 2、手腕旋轉(zhuǎn) 3 、水平移動(dòng) 4、升降 5 、立柱旋轉(zhuǎn) 6、手爪 7 、手腕電動(dòng)機(jī) 8、橫軸 9、 豎軸 10、豎軸電動(dòng)機(jī) 11、橫軸電動(dòng)機(jī) 12、底盤(pán) 13、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)2. 機(jī)械手工作流程機(jī)械手工作流程是：開(kāi)始運(yùn)行后，如果機(jī)械手不在初始位置上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)(橫軸向手抓方向移動(dòng)，豎軸向上移動(dòng))。歸位后首先橫軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，橫軸前伸；前伸到位后，手爪電動(dòng)機(jī)得電帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳感器檢測(cè)到限位磁頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，手張開(kāi)；延時(shí)

14、一段時(shí)間，豎軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復(fù)位，手爪夾緊；延時(shí)過(guò)后，豎軸上升，同時(shí)橫軸縮回、底盤(pán)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底盤(pán)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)橫軸、豎軸、底盤(pán)都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉(zhuǎn)，然后豎軸下降，電磁閥動(dòng)作，手爪張開(kāi)；延時(shí)后豎軸上升復(fù)位，然后開(kāi)始下一周期動(dòng)。3.控制要求(1)手臂上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。(2)手臂左右直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。(3)手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(4)手爪夾緊動(dòng)作。(5)機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由PLC發(fā)出控制脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)手臂的進(jìn)給和定位，手爪采用氣壓驅(qū)動(dòng)。第2章 PLC的介紹與選擇對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機(jī)控制、PLC控制等。但由于

15、PLC可編程控制器操作靈活性強(qiáng)和穩(wěn)定性較好，所以，我們選擇PLC控制。2.1 PLC的特點(diǎn)可編程控制器是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)起來(lái)的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。它以微處理器為核心，用編寫(xiě)的程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來(lái)控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。高可靠性（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離；（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms；（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾；（4）采用性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選；（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大；（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。豐富的I/O接口模塊PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流、開(kāi)關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱