摘要基于PLC控制的机械手设计摘 要机械手在工业科技中的应用时间较长，随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。未来机械手在工业生产中将发挥更大的作用，本文主要对机械手的控制方式及控制系统设计方法进行了较为详细的分析。关 键 词：机械手；控制方式；控制系统论文类型：理论研究III目录目 录第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2研究现状1第2章 相关概述32.1机械手32.2机械手工作原理42.3机械手的整体结构52.4PLC技术简介5第3章 机械手PLC控制系统设计73.1机械手各部件的设计73.1.1机械手手爪结构设计73.1.2机械手手腕结构设计73.1.3机械手手臂结构设计83.1.4机械手的机械传动机构设计93.1.5机械手手臂的平衡机构设计93.2机械手控制程序设计103.2.1 PLC的应用设计步骤103.2.2控制系统PLC选型103.2.3 PLC控制器程序设计11第4章 机械手监控系统设计154.1组态软件简介154.1.1组态软件154.1.2组态王164.2 监控系统设计164.2.1监控界面164.2.2监控设计17第5章 总结23致 谢25参考文献25网络学院毕业论文独创性声明28毕业论文知识产权权属声明28第1章 绪论1.1研究背景及意义机械手是模仿人手部分动作的一种拟人电子机械装置，是通过PLC控制，按给定程序、轨迹和要求，实现识别、自动抓取、搬运或者操作的自动机械装置。通过配置特定功能传感器，实现机械对环境状态及作用对象的快速反应、分析判断能力。机械手还具有可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说，它是工业机械进化过程的产物，同时，是工业及非产业界的重要生产、服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机械手应用在生产中，可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，工业机械手可代替人们进行正常工作。目前，PLC程控机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配、轻工业以及交通运输业等方面得到广泛应用。尽管当前机械手并没有人类的手一般灵巧、多变，但是它可以代替人类的手进行劳动，并且有不怕危险、不怕辛苦的优点，另外，机械手抓取东西的时候力量比较大，并可以长时间的进行劳动，劳动力度比较大。所以机械手的发展会为人类带来福音，并且其已经获得了很多部门的关注，也越来越多地被应用到了实际工作中。在很多流水线方面的工作上，机械手便可以代替人类，进行零部件加工等，不仅为企业节约了人力成本，并且也减少了员工培训等方面的烦恼。因此，对控制机械手进行设计。对现代工业的发展具有很重要的意义。同时在理论方面对于PLC控制的机械手设计提供一定的理论上的借鉴的意义。1.2研究现状国内外有关的学者对于PLC控制的机械手设计进行了相关的研究，并且取得了一定的研究的成果，具体的研究的成果如下所示：1.2.1国内研究现状胡炜（2018）认为：工业生产过程中，常需要根据工件材料、形状、颜色以及重量等进行分类，而传统采用的人工方法生产效率低、生产成本高。随着自动化技术的不断发展，工业自动化竞争越来越激烈。人们希望改进生产技术，提高生产效率，特别在需要进行产品分检的相关领域，迫切需要一种高效、稳定、可靠的设备，代替以往人们采用的人工分拣方法，彻底改变生产效率低、生产成本高的现状。因此，机械手物料分拣系统几乎成为所有生产企业的不二选择1。安军（2018）认为：PLC可编机械手的应用规模逐渐扩大，覆盖领域也逐渐扩大。随着传感器技术与接口技术的发展，PLC的扩展能力与兼容性不断提高，机械手将发展为一种拟人的电子机械装置。它是先进制造领域自动化设备的主力军之一，同时，机械手也大规模应用于航空航天领域，用于空间实验与在轨飞行器的维修、回收。可编程机械手对提高生产效率和科研开发具有重要意义2。张继红（2018）认为：图像采集部分接收模拟视频信号，并通过A/D进行数字化，或者直接接收摄像机数字化后的数字视频数据。图像采集部分将数字图像存放于处理器或计算机内存。处理器处理、分析、识别图像，获得测量结果或逻辑控制值。处理结果控制流水线的动作，定位、纠正运动误差等，将识别信息反馈到机械手臂端，驱动机械手精准抓取并放置指定物料仓库，实现物料的分类处理3。魏丽梅（2018）认为：机械手在工业生产领域中占有重要的地位，性能优越的机械手控制系统将可提高机械手的作业效率，为此本文主要对机械手的控制方式及控制系统进行了较为详细的分析。在对机械手的控制系统进行设计时，除了上述需要考虑的方面之外，还需要考虑到操作面板的布置、根据机械手控制系统的控制要求进行系统的I/O地址分配等4。秦治伟（2018）认为：随着我国科技的发展，人类对机械手使用的安全性、稳定性及准确性有了新的认识，而且还对其提出了很高的要求。利用PLC对机械手进行控制已成为一种必然趋势5。1.2.2国外研究现状J.Zrnik（2016）认为：PLC在应用中主要是突出微处理器应用作用，所以其运行中有部分环节与微机具有相似指出，但是其运行方式与微机差异性较大。微机大多都是保持等待命令状态。Marek Sniezek（2017）认为：在刷新输入阶段时，在端口中接入CPU，对其状态进行读取，然后写入到寄存器中。对输入端有效刷新之后，要及时关闭端口，转入到程序应用执行阶段，输入状态寄存器应用性能变化不明显，各项变化需要经过完整的刷新周期之后才会改变。Sasaki T（2018）认为：当前输入输出信号是由不同部分组成，分别有数字量、开关量、模拟量等，在我们日常实践研究中，传递的信号源主要是开关量，此类信号传递也是受到实验环境条件限制。从可编程序控制器应用优势中能看出，此类控制器抗击外部干扰能力较强，也是I/O设计的重要优势。在电气隔离处理操作中，信号进入CPU执行操作，避免操作现场强电等要素干扰。国内外对于PLC控制的机械手设计虽然有了一定的研究传成果，虽然已经有了一定的研究的成果，但是研究的成果比较匮乏，针对于此对于该课题进行了相关的研究是至关重要的。第2章 相关概述2.1机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。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。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。工业机器人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。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领域内，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。2.2机械手工作原理机械手是一种通过一定的编程软件来对其进行自动定位和以多变的动作形式来实现预期的功能。它拥有多个自由度，在空间中能够灵活地自由运动。执行元件、驱动元件和控制系统这三个部分组成了机械手。其中执行元件由手部、手臂和身躯构成。手部装在手臂的上端可以夹紧。机械手的手部可以模仿人的手指，因此非常的灵活。在本设计中主要是用到夹紧气缸，来完成对零件的夹紧和搬运功能。在设计中我们可根据被夹工件的大小和形状来装备各种各样的夹头，以便适应不同的操作需要。手臂是用来引导气爪能够准确地抓住工件，并把工件搬送到另一个工位上。一般机械手的运动有两种，一种是直线运动，另一种是旋转运动。身躯主要是用来安装手臂、动力源和各执行元件，而且它可以起到连接的作用。驱动元件是用来驱动气爪来抓取工件也可以吸取工件，以达到预定的功能。可以随时转变受抓获工件的部位。驱动器件可以完成升降、转动、前后左右移动的这些动作，叫做机械手的自由度。其为机械手的一项十分核心的参变量，其自由度越高，则机械手的灵活性就会越高，它的结构就会越复杂，通用性就会越广，反之则越小。本次设计对机械手整体机构进行控制，来完成特定的工作内容。通过一定的硬件控制系统对其编程来实现所有的功能，在此基础上加上传感器系统，进行运动的反馈工作，使其更加地稳定和精确。通过上面的有关知识，我们设计出了一套机械手，他总共有4个自由度，包括:手臂上下运动、手臂前后伸缩、气爪的夹紧、底座的旋转。其中，底座的旋转采用的是摆动气缸，手臂前后和上下运动选择的是带导向的气缸，保证气爪在抓取工件时的稳定性和可靠性，能够有效地抓取到工件，然后在每个极限位置加上传感器进行反馈，以实现机械手运动的精确性和平稳性。2.3机械手的整体结构机械手主要由机体、手臂、腕部、手部等主要部分构成。机体采用圆形结构，满足强度和平衡性要求，通过在其联接支撑板，承载整个机械手的运动和受力，是主要受力部件。为满足其强度要求，在设计中通过有限元分析的手段，对其进行受力分析，进行结构优化设计。手臂的伸缩运动由液压驱动，通过内壁、外壁的相互配合运动在满足伸缩长度技术要求的前提下，力求结构尺寸的最小化原则。手臂的升降运动则通过丝杠、螺母间啮合的相互运动，将转动变为移动。在结构设计中为保证整机的效率，在合理设计螺纹结构参数的基础上，增加双导向平衡装置，力求运动过程的稳定性，避免在运动中由于偏置力矩的存在，导致运动不连续或卡死现象。腕部采用凸缘式结构，在执行回转动作时，凸缘结构外伸，液压驱动在00-1800范围内回转。手部是动作的执行部分，通过手指的开合运动完成工件的夹持功能。将两个手指在手腕处，利用铰链式销轴连接，形成转动副，通过小臂的伸缩运动带动手指绕其回转销轴，实现开合运动。本设计手指采用V型块结构，也可以采用引导式楔角结构、圆弧外抱式结构、直行防滑垫式结构，可以根据工件的形状和夹持力的大小进行更换，降低使用成本，增加其通用性。2.4PLC技术简介可编程序控制器控制性能发挥过程中，就是相关技术人员通过规定算法对输入与输出量进行调控，然后将变换过程以物理方式正式。输入与输出变换以及物理实现是现阶段PLC在控制过程中的基本构成要素。其次，在物理实现过程中也能突出PLC应用特征。相关技术人员要结合具体控制要求，对各类干扰性因素进行分析，提升工业化控制效率，便于控制系统灵活应用。在PLC中选用常用的计算机结构，其是由储存器、微处理器、各类接口电路、开关电源、通信接口等。