基于PLC控制的機械手設(shè)計

1、摘要論文題目：基于PLC控制的機械手設(shè)計摘 要機械手在工業(yè)科技中的應(yīng)用時間較長，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展進步，機械手的控制技術(shù)也得到了較為快速的發(fā)展。人們在很早以前就希望能夠借助其他的工具替代人類自身的手去從事重復(fù)性的工作，或者具有一定危險性的工作，從而提高工業(yè)的生產(chǎn)效率，同時也能規(guī)避人們在生產(chǎn)實際生產(chǎn)中碰到的危險情況。此外，在一些特殊的場合中，必須要依靠機械手才能加以完成。未來機械手在工業(yè)生產(chǎn)中將發(fā)揮更大的作用，本文主要對機械手的控制方式及控制系統(tǒng)設(shè)計方法進行了較為詳細的分析。關(guān) 鍵 詞：機械手；控制方式；控制系統(tǒng)論文類型：理論研究II目錄目 錄第1章 緒論11.1研究背景及意義11.2研究現(xiàn)

2、狀1第2章 相關(guān)概述32.1機械手32.2機械手工作原理42.3機械手的整體結(jié)構(gòu)52.4PLC技術(shù)簡介5第3章 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計73.1機械手各部件的設(shè)計73.1.1機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計73.1.2機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計73.1.3機械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計83.1.4機械手的機械傳動機構(gòu)設(shè)計93.1.5機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計93.2機械手控制程序設(shè)計103.2.1 PLC的應(yīng)用設(shè)計步驟103.2.2控制系統(tǒng)PLC選型103.2.3 PLC控制器程序設(shè)計11第4章 機械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計154.1組態(tài)軟件簡介154.1.1組態(tài)軟件154.1.2組態(tài)王164.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計164.2.1監(jiān)控界面164

3、.2.2監(jiān)控設(shè)計17第5章 總結(jié)23致 謝25參考文獻25網(wǎng)絡(luò)學(xué)院畢業(yè)論文獨創(chuàng)性聲明28畢業(yè)論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明28第1章 緒論1.1研究背景及意義機械手是模仿人手部分動作的一種擬人電子機械裝置，是通過PLC控制，按給定程序、軌跡和要求，實現(xiàn)識別、自動抓取、搬運或者操作的自動機械裝置。通過配置特定功能傳感器，實現(xiàn)機械對環(huán)境狀態(tài)及作用對象的快速反應(yīng)、分析判斷能力。機械手還具有可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說，它是工業(yè)機械進化過程的產(chǎn)物，同時，是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)、服務(wù)性設(shè)備，是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。工業(yè)機械手應(yīng)用在生產(chǎn)中，可以提高生產(chǎn)的自動化水平

4、和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，工業(yè)機械手可代替人們進行正常工作。目前，PLC程控機械手在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配、輕工業(yè)以及交通運輸業(yè)等方面得到廣泛應(yīng)用。盡管當(dāng)前機械手并沒有人類的手一般靈巧、多變，但是它可以代替人類的手進行勞動，并且有不怕危險、不怕辛苦的優(yōu)點，另外，機械手抓取東西的時候力量比較大，并可以長時間的進行勞動，勞動力度比較大。所以機械手的發(fā)展會為人類帶來福音，并且其已經(jīng)獲得了很多部門的關(guān)注，也越來越多地被應(yīng)用到了實際工作中。在很多流水線方面的工作上，機

5、械手便可以代替人類，進行零部件加工等，不僅為企業(yè)節(jié)約了人力成本，并且也減少了員工培訓(xùn)等方面的煩惱。因此，對控制機械手進行設(shè)計。對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展具有很重要的意義。同時在理論方面對于PLC控制的機械手設(shè)計提供一定的理論上的借鑒的意義。1.2研究現(xiàn)狀國內(nèi)外有關(guān)的學(xué)者對于PLC控制的機械手設(shè)計進行了相關(guān)的研究，并且取得了一定的研究的成果，具體的研究的成果如下所示：1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀胡煒（2018）認為：工業(yè)生產(chǎn)過程中，常需要根據(jù)工件材料、形狀、顏色以及重量等進行分類，而傳統(tǒng)采用的人工方法生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化競爭越來越激烈。人們希望改進生產(chǎn)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，

6、特別在需要進行產(chǎn)品分檢的相關(guān)領(lǐng)域，迫切需要一種高效、穩(wěn)定、可靠的設(shè)備，代替以往人們采用的人工分揀方法，徹底改變生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高的現(xiàn)狀。因此，機械手物料分揀系統(tǒng)幾乎成為所有生產(chǎn)企業(yè)的不二選擇1。安軍（2018）認為：PLC可編機械手的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大，覆蓋領(lǐng)域也逐漸擴大。隨著傳感器技術(shù)與接口技術(shù)的發(fā)展，PLC的擴展能力與兼容性不斷提高，機械手將發(fā)展為一種擬人的電子機械裝置。它是先進制造領(lǐng)域自動化設(shè)備的主力軍之一，同時，機械手也大規(guī)模應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，用于空間實驗與在軌飛行器的維修、回收?？删幊虣C械手對提高生產(chǎn)效率和科研開發(fā)具有重要意義2。張繼紅（2018）認為：圖像采集部分接收模擬視頻信

7、號，并通過A/D進行數(shù)字化，或者直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。圖像采集部分將數(shù)字圖像存放于處理器或計算機內(nèi)存。處理器處理、分析、識別圖像，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。處理結(jié)果控制流水線的動作，定位、糾正運動誤差等，將識別信息反饋到機械手臂端，驅(qū)動機械手精準抓取并放置指定物料倉庫，實現(xiàn)物料的分類處理3。魏麗梅（2018）認為：機械手在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中占有重要的地位，性能優(yōu)越的機械手控制系統(tǒng)將可提高機械手的作業(yè)效率，為此本文主要對機械手的控制方式及控制系統(tǒng)進行了較為詳細的分析。在對機械手的控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，除了上述需要考慮的方面之外，還需要考慮到操作面板的布置、根據(jù)機械手控制系統(tǒng)的控制要求進

8、行系統(tǒng)的I/O地址分配等4。秦治偉（2018）認為：隨著我國科技的發(fā)展，人類對機械手使用的安全性、穩(wěn)定性及準確性有了新的認識，而且還對其提出了很高的要求。利用PLC對機械手進行控制已成為一種必然趨勢5。1.2.2國外研究現(xiàn)狀J.Zrnik（2016）認為：PLC在應(yīng)用中主要是突出微處理器應(yīng)用作用，所以其運行中有部分環(huán)節(jié)與微機具有相似指出，但是其運行方式與微機差異性較大。微機大多都是保持等待命令狀態(tài)。Marek Sniezek（2017）認為：在刷新輸入階段時，在端口中接入CPU，對其狀態(tài)進行讀取，然后寫入到寄存器中。對輸入端有效刷新之后，要及時關(guān)閉端口，轉(zhuǎn)入到程序應(yīng)用執(zhí)行階段，輸入狀態(tài)寄存器應(yīng)

9、用性能變化不明顯，各項變化需要經(jīng)過完整的刷新周期之后才會改變。Sasaki T（2018）認為：當(dāng)前輸入輸出信號是由不同部分組成，分別有數(shù)字量、開關(guān)量、模擬量等，在我們?nèi)粘嵺`研究中，傳遞的信號源主要是開關(guān)量，此類信號傳遞也是受到實驗環(huán)境條件限制。從可編程序控制器應(yīng)用優(yōu)勢中能看出，此類控制器抗擊外部干擾能力較強，也是I/O設(shè)計的重要優(yōu)勢。在電氣隔離處理操作中，信號進入CPU執(zhí)行操作，避免操作現(xiàn)場強電等要素干擾。國內(nèi)外對于PLC控制的機械手設(shè)計雖然有了一定的研究傳成果，雖然已經(jīng)有了一定的研究的成果，但是研究的成果比較匱乏，針對于此對于該課題進行了相關(guān)的研究是至關(guān)重要的。第2章 相關(guān)概述2.1機械

10、手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機器人是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民

11、經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。我國塑料機械已成為機械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個大因素：一是對高技術(shù)含量裝備的需求

12、所帶來的設(shè)備更新及陳舊設(shè)備的淘汰;二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對塑料機械的需求旺盛。2.2機械手工作原理機械手是一種通過一定的編程軟件來對其進行自動定位和以多變的動作形式來實現(xiàn)預(yù)期的功能。它擁有多個自由度，在空間中能夠靈活地自由運動。執(zhí)行元件、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)這三個部分組成了機械手。其中執(zhí)行元件由手部、手臂和身軀構(gòu)成。手部裝在手臂的上端可以夾緊。機械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的靈活。在本設(shè)計中主要是用到夾緊氣缸，來完成對零件的夾緊和搬運功能。在設(shè)計中我們可根據(jù)被夾工件的大小和形狀來裝備各種各樣的夾頭，以便適應(yīng)不同的操作需要。手臂是用來引導(dǎo)氣爪能夠準確地抓住工件，并把工件搬送到另一

13、個工位上。一般機械手的運動有兩種，一種是直線運動，另一種是旋轉(zhuǎn)運動。身軀主要是用來安裝手臂、動力源和各執(zhí)行元件，而且它可以起到連接的作用。驅(qū)動元件是用來驅(qū)動氣爪來抓取工件也可以吸取工件，以達到預(yù)定的功能?？梢噪S時轉(zhuǎn)變受抓獲工件的部位。驅(qū)動器件可以完成升降、轉(zhuǎn)動、前后左右移動的這些動作，叫做機械手的自由度。其為機械手的一項十分核心的參變量，其自由度越高，則機械手的靈活性就會越高，它的結(jié)構(gòu)就會越復(fù)雜，通用性就會越廣，反之則越小。本次設(shè)計對機械手整體機構(gòu)進行控制，來完成特定的工作內(nèi)容。通過一定的硬件控制系統(tǒng)對其編程來實現(xiàn)所有的功能，在此基礎(chǔ)上加上傳感器系統(tǒng)，進行運動的反饋工作，使其更加地穩(wěn)定和精確。

14、通過上面的有關(guān)知識，我們設(shè)計出了一套機械手，他總共有4個自由度，包括:手臂上下運動、手臂前后伸縮、氣爪的夾緊、底座的旋轉(zhuǎn)。其中，底座的旋轉(zhuǎn)采用的是擺動氣缸，手臂前后和上下運動選擇的是帶導(dǎo)向的氣缸，保證氣爪在抓取工件時的穩(wěn)定性和可靠性，能夠有效地抓取到工件，然后在每個極限位置加上傳感器進行反饋，以實現(xiàn)機械手運動的精確性和平穩(wěn)性。2.3機械手的整體結(jié)構(gòu)機械手主要由機體、手臂、腕部、手部等主要部分構(gòu)成。機體采用圓形結(jié)構(gòu)，滿足強度和平衡性要求，通過在其聯(lián)接支撐板，承載整個機械手的運動和受力，是主要受力部件。為滿足其強度要求，在設(shè)計中通過有限元分析的手段，對其進行受力分析，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。手臂的伸縮運

15、動由液壓驅(qū)動，通過內(nèi)壁、外壁的相互配合運動在滿足伸縮長度技術(shù)要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)尺寸的最小化原則。手臂的升降運動則通過絲杠、螺母間嚙合的相互運動，將轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿印Ｔ诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計中為保證整機的效率，在合理設(shè)計螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加雙導(dǎo)向平衡裝置，力求運動過程的穩(wěn)定性，避免在運動中由于偏置力矩的存在，導(dǎo)致運動不連續(xù)或卡死現(xiàn)象。腕部采用凸緣式結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行回轉(zhuǎn)動作時，凸緣結(jié)構(gòu)外伸，液壓驅(qū)動在00-1800范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。手部是動作的執(zhí)行部分，通過手指的開合運動完成工件的夾持功能。將兩個手指在手腕處，利用鉸鏈式銷軸連接，形成轉(zhuǎn)動副，通過小臂的伸縮運動帶動手指繞其回轉(zhuǎn)銷軸，實現(xiàn)開合運動。本設(shè)計手指采用V型塊

16、結(jié)構(gòu)，也可以采用引導(dǎo)式楔角結(jié)構(gòu)、圓弧外抱式結(jié)構(gòu)、直行防滑墊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)工件的形狀和夾持力的大小進行更換，降低使用成本，增加其通用性。2.4PLC技術(shù)簡介可編程序控制器控制性能發(fā)揮過程中，就是相關(guān)技術(shù)人員通過規(guī)定算法對輸入與輸出量進行調(diào)控，然后將變換過程以物理方式正式。輸入與輸出變換以及物理實現(xiàn)是現(xiàn)階段PLC在控制過程中的基本構(gòu)成要素。其次，在物理實現(xiàn)過程中也能突出PLC應(yīng)用特征。相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合具體控制要求，對各類干擾性因素進行分析，提升工業(yè)化控制效率，便于控制系統(tǒng)靈活應(yīng)用。在PLC中選用常用的計算機結(jié)構(gòu)，其是由儲存器、微處理器、各類接口電路、開關(guān)電源、通信接口等。第3章 機械手PLC控

17、制系統(tǒng)設(shè)計3.1機械手各部件的設(shè)計3.1.1機械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用手爪等。機械手手爪是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設(shè)計的，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點，同時要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式手爪。連桿杠桿式手爪在活塞的推力作用下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊(放松)運動。由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，其通常與彈簧聯(lián)合使用。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示。圖3.1 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖3.1

18、.2機械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪作空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。因此要求手腕設(shè)計應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但自由度的增加，必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，控制更困難，成本也會相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和剛度.要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。通過對數(shù)控機

19、床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全性和可靠性，為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制難度，本設(shè)計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕(手臂、手爪連接梁)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2 手臂、手爪連接結(jié)構(gòu)3.1.3機械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計機械手手臂在工作時要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，其工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計應(yīng)滿足其工作空間要求。同時，為了提高機械手的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機械

20、手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量;為提高機械手手臂運動的響應(yīng)速度、減小電機負載，機械手手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡;還要盡可能使機械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行，相互垂直的軸則要盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學(xué)正逆運算簡化，有利于機械手的控制。由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件重量、機械手動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性、安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)動方式。液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大、可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。其通過液壓缸直接驅(qū)動，液壓缸既是驅(qū)動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設(shè)計執(zhí)行件。液壓缸可實現(xiàn)直線運動，

21、控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。因控制和具體工作的要求，機械手手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來提高剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。所以，在設(shè)計時另外增設(shè)了導(dǎo)桿機構(gòu)，小臂增設(shè)了2個導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量提高其剛度;大臂增設(shè)了4個導(dǎo)桿，呈正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。增設(shè)導(dǎo)桿能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，較好地解決了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題。3.1.4機械手的機械傳動機構(gòu)設(shè)計由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計機械手的傳動機構(gòu)時要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。同時在傳動鏈

22、及運動副中采用間隙調(diào)整機構(gòu)，以減小反向空回所造成的運動誤差，還要考慮盡量消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命;盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度;選用最佳傳動比、適當(dāng)?shù)淖枘岜?。常用的機械傳動機構(gòu)主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu).又提高了精度。其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進電動機驅(qū)動，而電動機不能作為直接驅(qū)動元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差，同時大大增大扭矩，以大幅降低電機轉(zhuǎn)速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好，這里只使用一級齒

23、輪傳動，采用大的傳動比，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。3.1.5機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計關(guān)節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動器的負荷，縮短啟動時間。彈簧平衡機構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，應(yīng)用廣泛。本機械手采用圓柱坐標式結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機械手的設(shè)計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結(jié)果不滿意，則設(shè)置彈簧平衡機構(gòu)進行平衡。3.2機械手控制程序設(shè)計3.2.1 PLC的應(yīng)用設(shè)計步驟 PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設(shè)計，也就是

24、程序設(shè)計上。由于PLC內(nèi)部繼電器數(shù)量大，其接點在內(nèi)存允許的情況下可重復(fù)使用，具有存儲數(shù)量大、執(zhí)行速度快等特點，所以采用此設(shè)計方法可縮短設(shè)計周期。PLC程序設(shè)計可遵循以下六步進行。(1)確定被控系統(tǒng)必須完成的動作及完成這些動作的順序:(2)分配輸入輸出設(shè)備，即確定IS些外圍設(shè)備是傳送信號到PLC,哪些信號是接收來自PLC信號的。并將PLC的輸入、輸出口與之對應(yīng)進行分配;(3)設(shè)計PLC程序畫出梯形圖。梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系:(4)實現(xiàn)用計算機對PLC的梯形圖直接編程;(5)對程序進行調(diào)試(模擬和現(xiàn)場):(6)保存己經(jīng)完成的程序。在建立一個PLC控制系統(tǒng)時，必須首先

25、把系統(tǒng)需要的輸入、輸出數(shù)量確定下來。然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，就可進行編程的第二步分配輸入輸出設(shè)備，在分配了PLC的輸入輸出點、內(nèi)部輔助繼電器、定時器、計數(shù)器之后，就可以設(shè)計PLC程序畫出梯形圖。之后便可以使用相應(yīng)PLC的編程工具寫入PLC程序進行調(diào)試，直到符合控制要求。這便是程序設(shè)計的整個過程。3.2.2控制系統(tǒng)PLC選型 可編程控制器(PLC)按輸入輸出點數(shù)以及CPU功能分為大、中、小3種類型，按其結(jié)構(gòu)又可分為整體式和模塊式PLC. PLC的種類很多，日本OMRON公司生產(chǎn)的CPM1A是該公司推出的高性能整體式小型可編程控制

26、器，該機種性能價格比高，適合小型系統(tǒng)的控制。本研究項目中機械手的控制器選用的是CPMIA系列中的CPM 1 A-4000R-A-VI型PLC。該型號PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出為24入16出。有模擬量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、通信模塊等可選模塊，可以實現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)功能。3.2.3 PLC控制器程序設(shè)計 根據(jù)以上所述的PLC型號，綜合對機械手控制系統(tǒng)功能的分析編寫PLC控制程序。1.控制系統(tǒng)功能分析根據(jù)機械手運動仿真方案，機械手的循環(huán)動作依次為:下降-夾緊-上升-正轉(zhuǎn)-伸出-放松-縮回-反轉(zhuǎn)-下一循環(huán)。為了根據(jù)實際工作環(huán)境確定機械手工作時磁

27、性限位開關(guān)的位置并調(diào)試機械手，對機械手的每一動作設(shè)定一個手動控制按鈕。同時，為了保證機械手同時只能執(zhí)行一個動作，需要在程序上設(shè)計互鎖功能。為了控制機械手的啟停，需要設(shè)置對應(yīng)按鈕，但是為了節(jié)約PLC控制器的輸入輸出點數(shù)，可以將啟動按鈕和停止按鈕合并，實現(xiàn)單按鈕啟?？刂?。同時，為了區(qū)分機械手是處在手動調(diào)試還是連續(xù)運行工作模式，需要設(shè)置一個連續(xù)運行按鈕。當(dāng)處在連續(xù)運行模式時，機械手進行正常工作的循環(huán)動作:當(dāng)處在手動調(diào)試模式時，如上文所述，可以通過各個動作的按鈕對機械手各個自由度進行手動控制，而且可以根據(jù)實際情況調(diào)整限位開關(guān)位置來調(diào)試機械手。并且，為了區(qū)分機械手是正常退出工作還是因為發(fā)生故障急停，應(yīng)該

28、進行不同的設(shè)計，此設(shè)計中將退出連續(xù)運行模式(按一下“連續(xù)運行按鈕”)設(shè)定為正常停止工作，而將退出啟動方式(按一下“啟動停止按鈕”)視為急停。二者的區(qū)別在于:正常停止工作時，機械手將繼續(xù)運行至所在順序動作周期結(jié)束之后再停止，其停止時機械手將處在預(yù)先設(shè)定的初始位置;急停時，機械手將馬上停止工作，其停止時機械手保持在當(dāng)前位置，而且在再次啟動時不會繼續(xù)剛才的工作。為了保證機械手的正常順序工作循環(huán)，機械手在每一個工作周期初始時都要檢驗是否處在預(yù)先設(shè)定的初始位置(設(shè)定為:機械手處在上升限位、反轉(zhuǎn)限位、縮回限位和放松狀態(tài))，若否，則需要首先回到初始位置，即“回原點”?；卦c有兩種方案:自動回原點和手動回原點

29、。由于自動回原點需要檢測機械手當(dāng)前位置，造成硬件復(fù)雜化，而且當(dāng)機械手運動超出允許的范圍時將不能正確動作，所以采用手動回原點。手動回原點可以利用手動調(diào)試階段的各個動作的控制按鈕對氣缸進行手動控制，而且在到達原點限位時需要停止并保持當(dāng)前位置。另外，需要一個PLC輸出點作為“回原點”指示。根據(jù)以上分析及所使用PLC的型號，可以對PLC的輸入輸出觸點進行I/O分配，并繪制出控制系統(tǒng)流程圖。I/O分配結(jié)果如表3.1所示。表3.1機械手控制器I/O分配表2. PLC梯形圖程序設(shè)計根據(jù)I/O分配表以及控制系統(tǒng)流程圖，結(jié)合所使用的PLC具體型號，可以設(shè)計出適合該控制器的控制系統(tǒng)程序。本研究項目中為求控制程序可

30、讀性好.采用梯形圖設(shè)計方法，所涉及的指令有定時器TIM指令、保持指令KEEP、上微分指令DIF、跳轉(zhuǎn)指令JMP和跳轉(zhuǎn)結(jié)束指令JME等一系列PLC編程當(dāng)中常見的指令。根據(jù)以上方法設(shè)計的PLC程序的部分程序段如下文所述。圖3-3所示為操作按鈕輸入信號的微分處理程序，編寫該程序是因為:第一由于實際按鈕的性能各不相同，而且操作者的實際操作習(xí)慣不一，按一次按鈕持續(xù)的時間未知，這樣可能造成PLC響應(yīng)按鈕輸入時出現(xiàn)各種未知的狀況，這對于PLC控制而言是非常不利的，所以需要使用微分語句DIFU對按鈕動作響應(yīng)信號進行調(diào)整:第二，將所有的輸入按鈕并列集中在程序中的一段可以方便在控制系統(tǒng)外部接線，省去到程序中到處找

31、各個按鈕對應(yīng)的端口，同時程序的可讀性也較好。圖3.3 操作按鈕輸入微分程序段同理，為方便控制器外部接線及提高程序可讀性，將各限位開關(guān)輸入及動作線圈輸出集中在程序中的一段，如圖3.4至3.5所示 圖3.4 限位開關(guān)輸入程序段圖3.5動作線圈愉出程序段在動作線圈輸出程序中，通過PLC內(nèi)部輔助寄存器實現(xiàn)了氣缸動作的互鎖，即正轉(zhuǎn)動作和反轉(zhuǎn)動作互鎖、上升動作和下降動作互鎖、伸出動作和縮回動作互鎖、夾緊動作和放松動作互鎖。當(dāng)系統(tǒng)處于啟動方式時沖壓機械手可以進行正常工作，當(dāng)系統(tǒng)處于停止方式時系統(tǒng)停機(即進入“停止工作步”)，除按“啟動/停止按鈕”啟動系統(tǒng)之外系統(tǒng)不能響應(yīng)其他操作。和啟動停止方式切換程序一樣，

32、系統(tǒng)的工作方式切換(即“手動調(diào)試”方式和“連續(xù)運行”方式的切換)也是通過單按鈕啟保停程序?qū)崿F(xiàn)的?！笆謩诱{(diào)試”方式中，可以通過操作按鈕對機械手的各個動作進行手動控制，并對氣缸上安裝的磁性限位開關(guān)的位置進行調(diào)整，以適應(yīng)實際的生產(chǎn)狀況。為保證手動調(diào)整的精確性，要求對各個動作線圈實現(xiàn)點動控制，即按一下操作按鈕，對應(yīng)的動作氣缸運行一段較小的時間段然后停止，這個時間段可以通過編程軟件設(shè)置參數(shù)來進行手動調(diào)整，可以設(shè)此時間段參數(shù)為“手動調(diào)試脈沖時間”，由于機械手開合氣缸的行程較小，需要單獨設(shè)置一個參數(shù)為“開合調(diào)試脈沖時間”。具體的手動調(diào)試程序段如圖3.5所示。圖3.5手動調(diào)試控制程序段在“連續(xù)運行”方式下，機

33、械手按照流程圖所示進行順序動作循環(huán)，為了保證機械手的動作到位，必須在每一個順序動作循環(huán)開始之前檢查機誡手是否處于預(yù)先設(shè)定的原點(初始位置)。若系統(tǒng)在動作循環(huán)開始之前沒有處在原點，則進入“手動回原點步”。此時可以通過各個操作按鈕控制各氣缸對應(yīng)的運動，在到達該氣缸初始位置時對木氣缸對應(yīng)的兩個操作按鈕輸入進行屏蔽.使氣缸活塞其保持在原點位界.具體的程序?qū)崿F(xiàn)如圖3.6所示。當(dāng)系統(tǒng)處于“連續(xù)工作”方式時，若系統(tǒng)到達原點，則自動進入預(yù)定的順序動作循環(huán)，順序動作循環(huán)程序如圖3.7所示。圖3.6手動回原點程序段圖3.7循環(huán)動作程序段由于手爪氣缸的行程小.不便于安裝限位開關(guān)，并且本機械手的手爪開合精度要求較低，

34、所以考慮用PLC內(nèi)部輔助寄存器對開合限位進行模擬。具體模擬方案如下: (1)夾緊限位 當(dāng)夾緊線圈置位時，一個定時器開始定時，同時夾緊線圈保持。經(jīng)過一個時間段(編程軟件設(shè)置為參數(shù)“夾緊運行時間”)后，定時器置位使夾緊限位置位且保持，直到放松線圈置位后夾緊限位才復(fù)位。(2)放松限位 當(dāng)放松線圈置位時，一個定時器開始定時，同時放松線圈保持置位.經(jīng)過一個時間段(編程軟件設(shè)置為參數(shù)“放松運行時間”)后，定時器置位使放松限位置位且保持，直到夾緊線圈置位后才放松限位復(fù)位。第4章 機械手監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計4.1組態(tài)軟件簡介4.1.1組態(tài)軟件組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平

35、臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成

36、各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。4.1.2組態(tài)王（1)功能強大、性能穩(wěn)定且易于使用組態(tài)王6.53保持了組態(tài)王早期版本運行穩(wěn)定、使用方便的特點。并根據(jù)國內(nèi)眾多用戶的反饋及意見，對一些功能進行了完善和擴充。該款產(chǎn)品的歷史曲線、溫控曲線以及配方功能進行了大幅提升與改進，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。（2）組態(tài)王6.53的主要功能特性。1）可視化操作界面，真彩顯示圖形、支持漸進色、豐富的圖庫、動畫連接。2）無與倫比的動力和靈活性，擁有全面的腳本與圖形動畫功能可以對畫面中的一部分進行保存，以便以后進行分析或打印。3）變量導(dǎo)入導(dǎo)出功能，變量可以導(dǎo)出到Excel表格

37、中，方便的對變量名稱等屬性進行修改，然后再導(dǎo)入新工程中，實現(xiàn)了變量的二次利用，節(jié)省了開發(fā)時間。4）強大的分布式報警、事件處理，支持實時、歷史數(shù)據(jù)的分布式保存。5）強大的腳本語言處理，能夠幫助你實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯操作和與決策處理。6）全新的Web Server架構(gòu)，全面支持畫面發(fā)布、實時數(shù)據(jù)發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)發(fā)布以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的發(fā)布。7）方便的配方處理功能。8）豐富的設(shè)備支持庫，支持常見的PLC設(shè)備、智能儀表、智能模塊。9）提供硬加密及軟授權(quán)兩種授權(quán)方式。4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計4.2.1監(jiān)控界面監(jiān)控系統(tǒng)的畫面如圖4.1所示。圖4.1 機械手監(jiān)控系統(tǒng)主界面4.2.2監(jiān)控設(shè)計（1）建立新工程。在亞控中建立新工

38、程時，首先通過亞控的“工程管理器”指定工程的名稱和工作路徑，不同的工程一定要放在不同的路徑下。指定工程的名稱和路徑，啟動亞控的“工程管理器”(圖4.2）圖4.2 力控工程管理器界面 單擊菜單欄“文件/新建工程”命令或工具條“新建”按鈕或快捷菜單“新建工程”命令后，彈出“新建工程向?qū)б弧睂υ捒?，如圖4.3所示。圖4.3新建工程向?qū)б?單擊“下一步”按鈕，彈出“新建工程向?qū)Ф睂υ捒?，如圖4.4所示。圖4.4 新建工程向?qū)г趯υ捒虻奈谋究蛑休斎胄陆üこ痰穆窂?，如果輸入的路徑不存在，系統(tǒng)會自動提示用戶。也可以單擊“瀏覽”按鈕，在彈出的路徑選擇對話框中選擇工程路徑，也可以在彈出路徑選擇對話框中直接輸入

39、路徑。單擊“下一步”按鈕，進入“新建工程向?qū)睂υ捒?，如圖4.5所示。圖4.5新建工程向?qū)凇肮こ堂Q”文本框中輸入新建工程的名字，在“工程描述”中輸入對新建工程的描述文本。單擊“完成”按鈕，確認新建的工程。創(chuàng)建組態(tài)界面進入亞控的開發(fā)系統(tǒng)后，可以為每個工程建立無限數(shù)目的畫面，在每個畫面上可以組態(tài)相互關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動態(tài)圖形。這些畫面是由亞控開發(fā)系統(tǒng)提供的豐富的圖形對象組成的。開發(fā)系統(tǒng)提供了文本、直線、矩形、圓角矩形、圓形、多邊形等基本圖形對象，同時還提供了增強型按鈕、實時歷史趨勢曲線、實時歷史報警、實時歷史報表等組件。開發(fā)系統(tǒng)還提供了在工程窗口中復(fù)制、刪除、對齊、打成組等編輯操作，提供對圖形對

40、象的顏色、線型、填充屬性等操作工具。 亞控開發(fā)系統(tǒng)提供的上述多種工具和圖形，方便用戶在組態(tài)工程時建立豐富的圖形界面。單擊左側(cè)目錄中的“畫面”，在右側(cè)單擊“新建”，彈出“新建畫面”對話框，如圖4.6所示。圖4.6新畫面在“新畫面”對話框中，可以給畫面命名，在注釋中，可以選擇畫面位置及其畫面風(fēng)格。3定義I/O設(shè)備在亞控中，把需要與亞控組態(tài)軟件之間交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或者程序都作為IO設(shè)備，IO設(shè)備包括：DDE、OPC、PLC、UPS、變頻器、智能儀表、智能模塊、板卡等，這些設(shè)備一般通過串口和以太網(wǎng)等方式與上位機交換數(shù)據(jù);只有在定義了IO設(shè)備后，亞控才能通過數(shù)據(jù)庫變量和這些IO設(shè)備。選擇“設(shè)備”，單擊“新

41、建”，彈出“設(shè)備配置向?qū)А?，圖4.7所示。 圖4.7 設(shè)備配置向?qū)б来螁螕簟跋乱徊健?，完成“邏輯名稱”、“選擇串口號”、“設(shè)備地址設(shè)置指南”和“通信參數(shù)”對話框的填寫，單擊“完成”即可。4.在數(shù)據(jù)詞典中創(chuàng)建用戶定義的變量在工程瀏覽器中左邊的目錄樹中點擊“數(shù)據(jù)詞典”圖標，右側(cè)的內(nèi)容顯示區(qū)會顯示當(dāng)前工程中定義的變量。雙擊內(nèi)容顯示區(qū)下面的“新建”圖標，彈出“定義變量”屬性對話框，如圖4.8所示。圖4.8定義變量組態(tài)王的變量屬性由基本屬性、報警定義、記錄個安全區(qū)三個屬性頁組成?？梢杂檬髽藛螕暨x項卡頂部的屬性標簽，選中某一選項，定義相應(yīng)的屬性。單擊“確定”按鈕，若定義的變量有效，將新建的變量名保存到數(shù)據(jù)

42、庫的數(shù)據(jù)詞典中。若變量名不合法，會彈出提示對話框提醒工程人員改變變量名。制作動畫連接在開發(fā)系統(tǒng)中，通過制作動畫連接使圖形在畫面上隨“機械手”PLC數(shù)據(jù)的變化而活動起來。動畫連接是將畫面中的圖形對象與變量之間建立某種關(guān)系，當(dāng)變量的值發(fā)生變化時，在畫面上圖形對象的動畫效果動態(tài)變化方式體現(xiàn)出來。有了變量之后就可以制作動畫連接了。一旦創(chuàng)建了一個圖形對象，給它加上動畫連接就相當(dāng)于賦予它“生命”，使它動起來。動畫連接使對象按照變量的值改變其大小、顏色、位置等。雙擊機械手模型中的移動桿，出現(xiàn)動畫連接對話框，如圖4.9所示。圖4.9動畫連接在屬性變化中，選擇并單擊“水平移動”，彈出“水平移動連接”對話框，如圖

43、4.10所示。圖4.10水平移動連接雙擊機械手模型中的手，出現(xiàn)動畫連接對話框，如圖4.10所示，在特殊中，選擇并單擊“隱含”選項，出現(xiàn)“隱含連接”對話框，如圖4.11所示。圖4.11隱含連接依據(jù)上面的步驟，就可以輕松的完成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。然后通過串口通信，就可以實現(xiàn)對機械手的實時監(jiān)控。第5章 總結(jié)機械手在機械行業(yè)中的運用已經(jīng)成為一種必然的趨勢 ，同時這種運用將得到前所未有的發(fā)揮，機械手能夠成功的運用于機械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運 ，尤其體現(xiàn)于組合機床以及自動化數(shù)控機床上的運用和創(chuàng)新。將機械手與機床設(shè)備合為一個柔性體，在很大程度上能夠節(jié)省工件輸送裝置，架構(gòu)比較緊湊，同時適應(yīng)能力較強 ，在

44、技術(shù)和經(jīng)濟上對機械手進行考慮都是有必要的 ，所以，對數(shù)控機床上下料機械手進行研究和設(shè)計是一種必然。(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

45、(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。致 謝首先要衷心的感謝我的論文指導(dǎo)老師，老師治學(xué)嚴謹、態(tài)度認真，并且針對我提出的有關(guān)論文寫作的相關(guān)問題都不厭其煩的回答我，在我前后總共多次論文修改的過程中，我的老師總是能一針見血的指出我的問題所在，幫助我不斷的修改和

46、完善，使我能夠順利完成論文寫作的工作，老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和誨人不倦的品格都是我學(xué)習(xí)的榜樣。其次，要感謝西安交大的各位任課老師，不僅豐富了我們的理論知識，同時也讓我們看到了你們身上默默無聞的奉獻精神和對教學(xué)工作認真負責(zé)的態(tài)度，讓我們受益匪淺。由于自己身體的原因以及專業(yè)知識的不足，從開始寫作到完成論文的時間跨度較長。論文還有許多不足之處，懇請閱讀此篇論文的老師、同學(xué)多予指正，不勝感激!參考文獻1胡煒,祝錫晶,馬愷.特種加工液壓驅(qū)動搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計J.制造業(yè)自動化,2018,40(12):66-69.2安軍,鄭書華,歐陽青,朱宇科.四自由度機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計J.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2018(12):87-88.3張繼紅.自動換刀機械手控制系統(tǒng)建模J.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2018,28(06):158-161.4魏麗梅.基于PLC的機械手設(shè)計J.湖北農(nóng)機化,2018(10):42-43.5秦治偉,季明明,巢淵,李尚榮.基于PLC的取放料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計J.南方農(nóng)機,2018,49(22):18-19.6李進英.雙關(guān)節(jié)機械手軌跡跟蹤控制方法研究J.傳感器世界,2018