目錄

摘   要

ABSTRACT

前  言

1  機械手概況

1.1搬運機械手的應用簡況

1.1.1熱加工方面的應用

1.1.2冷加工方面的應用

1.1.3拆修裝方面

1.2機械手的應用意義

1.3機械手的發展概況

1.4機械手的發展趨勢

2  搬運機械手總體設計方案

2.1搬運機械手結構及其動作

2.2機械手的控制過程

2.3機械手的控制要求

3  機械手硬件系統設計

3.1機械手的結構

3.2電氣控制的設計

3.3操作面板及動作說明

3.4 I/O分配

4  機械手的軟件系統設計

4.1梯形圖的總體設計

4.2各部分梯形圖的設計

4.2.1通用部分梯形圖設計

4.2.2手動操作梯形圖

結   論

致  謝

摘   要

隨著工業自動化的普及和發展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手的應用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機械加工、食品、醫藥等領域的生產流水線或貨物裝卸調運, 可以更好地節約能源和提高運輸設備或產品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現代經濟發展的要求。

本機械手的機械結構主要包括由兩個電磁閥控制的液壓鋼來實現機械手的上升下降運動及夾緊工件的動作，兩個轉速不同的電動機分別通過兩線圈控制電動機的正反轉，從而實現小車的快進、慢進、快退、慢退的運動運動；其動作轉換靠設置在各個不同部位的行程開關(SQ1---SQ9)產生的通斷信號傳輸到PLC控制器，通過PLC內部程序輸出不同的信號，從而驅動外部線圈來控制電動機或電磁閥產生不同的動作，可實現機械手的精確定位；其動作過程包括：下降、夾緊、上升、慢進、快進、慢進、延時、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手動、單步、單周期、連續；來滿足生產中的各種操作要求。

1  機械手概況1.1搬運機械手的應用簡況在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，有待于進一步實現機械化。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，有75％是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：1.1.1熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業就更需要采用機械手操作。1.1.2冷加工方面的應用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯接的重要于段。1.1.3拆修裝方面拆修裝是鐵路工業系統繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業機械手已經成為工業生產中提高勞動生產率的重要因素。1.2機械手的應用意義在機械工業中，機械手的應用意義可以概括如下：可以提高生產過程的自動化程度應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。可以減少人力，便于有節奏地生產應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節拍，便于有節奏地進行生產。綜上所述，有效地應用機械手是發展機械工業的必然趨勢。1.3.3機械手的發展概況與發展趨勢1.3機械手的發展概況專用機械手經過幾十年的發展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業的發展，已出現了模擬關節式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數控示教再現型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發展，除了在工業上廣泛應用外，農、林、礦業、航天、海洋、文娛、體育、醫療、服務業、軍事領域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機械手技術也得到飛速的多元化發展。總之，目前機械手的主要經歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性系統FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。1.4機械手的發展趨勢目前國內工業機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業生產發展的需要。因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業條件。在應用專用機械手的同時，相應地發展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。在國外機械制造業中，工業機械手應用較多，發展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業中，它可按照事先制定的作業程序完成規定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。 2  搬運機械手總體設計方案2.1搬運機械手結構及其動作本機械手用于生產線上工件的自動搬運，根據對機械手的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖3—1所示：
圖2—1機械手的動作周期2.2機械手的控制過程如圖3—2所示由A、B兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作，A缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松，B缸通過一雙電兩位四通電磁閥控制機械手的升降；由小車實現機械手的移動。該小車由兩臺電動機驅動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢—快—慢的形式進行，返回時按慢—快—慢的形式后退。當工件從傳送帶傳輸到機械手下方時，工件碰壓行程開關SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關SQ3與機械手夾鉗相連的A缸活塞桿收進，機械手將工件夾緊；當工件夾緊到位時，行程開關SQ5動作，B缸的活塞桿收進，把工件提升；當工件提升到最高位置時碰壓行程開關SQ4，啟動小車慢速右行；當小車碰壓行程開關SQ7時轉為快速行走；接近終點時小車碰壓行程開關SQ8，轉為慢速行走；行至右端行程開關SQ9，小車停止前進；停留5秒后，B缸活塞桿再次外伸，機械手下降至終點，A缸活塞桿外伸帶動夾鉗松開，將工件放下；然后機械手上升，小車以慢—快—慢的形式沿原路返回，恢復到圖示所示的原點位置。2.3機械手的控制要求為了便于生產加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執行相應的動作，其它動作以此類推。回原位：當由于斷電或其它原因導致機械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執行一個周期后停止在原點位置連續運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執行各工步動作。該機械手在自動工作狀態時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。
3  機械手硬件系統設計硬件系統設計包括機械部分和電氣控制部分的設計。3.1機械手的結構設計其結構如圖3—2所示

圖中設置9個行程開關SQ1—SQ9用于檢測工件、小車、機械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態，并對系統實施控制。其中SQ1為工件是否到位的檢測開關；SQ2為小車原位檢測開關；SQ3、SQ4分別為機械手下降上升是否到位檢測開關；SQ5、SQ6分別為機械手夾緊放松檢測開關；SQ7、SQ8分別為小車速度轉換開關；SQ9為小車運動停止開關。3.2電氣控制的設計包括主電路和控制電路的設計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動機M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正傳和反轉；快速電動機M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉。機械手的夾緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設備運行過程中突然斷電導致的機械手松開，工件脫落的情況發生。3.3操作面板及動作說明根據控制和生產工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續的操作。故操作方式選擇開關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復位，故設置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。其操作面板如圖3—3所示：

圖3—3機械手操作面板示意圖

3.4 I/O分配
I/O設備即所需的I/O點數如下表所示：

信號	I/O設備	I/O點數	信號	I/O設備	I/O點數
輸   入	操作方式選擇旋鈕開關手動時運動選擇按鈕啟動停止按鈕行程開關	5829	輸   出	交流接觸器控制線圈電磁閥動作指示原點指示	4381

圖3—4  F1-40MR樣圖

控制電路設計主要是PLC輸入、輸出接線的設計，其I/O分配如圖3—5所示。

圖 PLC I/O接線控制圖

4 機械手的軟件系統設計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的PLC控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制4.1梯形圖的總體設計按照機械手控制和工藝流程的要求，在選擇“手動方式”時應執行手動程序；在選擇“回原位”時應執行回原位程序；在選擇自動程序時應執行自動程序。其中自動程序要在啟動按鈕按下時才執行。故梯形圖的總體構成如圖3—6所示。

圖3—6搬運機械手PLC控制梯形圖總體構成

4.2各部分梯形圖的設計4.2.1通用部分梯形圖設計通用部分梯形圖分為三部分：1）. 狀態器的初始化。初始化狀態器S600在手動方式下被置位、復位。當方式選擇開關置于“返回原位”（X514接通）時，按下復位按鈕（X507）時被置位，在“手動操作”（X510）接通時，S600復位。處于中間工步的狀態器用手動做復位操作，即在方式選擇開關位于“手動操作”或“返回原位”時，中間狀態器同步復位。故初始化梯形圖如圖3—7所示

圖3—7 狀態器初始化梯形圖

2）. 狀態器轉換啟動。若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態器S600被置位后按下啟動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態器的狀態可以一步一步的向下傳遞，即可進行轉換。在執行“連續程序” 時，轉換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一面采用M100檢查機器是否處于原位。當M575和M100都接通時，從初始狀態器開始進行轉換，故其梯形圖如圖3—8所示。

圖3—8狀態器轉換啟動梯形圖

3）. 狀態器轉換禁止梯形圖。激活特殊輔助繼電器M574并用步進梯形指令控制狀態器轉換時，狀態器的轉換就被自動禁止。在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應被激勵并自保持，操作停止在現行工步。當按下停止按鈕時，從現行工步重新開始工作，M574應復位，即重新允許新轉換。在“步進”工作方式時，M574應始終工作，此時，禁止任何狀態轉換。但沒按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態器轉換一次。在“手動”工作方式時禁止進行狀態轉換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態轉換禁止解除，M574復位，。PLC在啟動時，用初始化脈沖M71和M574自保持，以此禁止狀態轉換，直到按下啟動按鈕。故狀態器轉換禁止梯形圖如圖3—8所示。

圖3—8 狀態器轉換禁止梯形圖

通過對3—7和3—8的分析可得出：在執行“手動操作”和“返回原位”程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通，（按下啟動按鈕時除外）；執行“步進”程序時沒按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態器轉換一次；在執行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574斷開，M575接通，狀態器的轉換可一步一步向下轉換，直至按下停止按鈕時，M574自鎖，狀態器的轉換被禁止，操作停止在現行工序（再次按下啟動按鈕時從現行工序開始工作）；在執行“連續程序”時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。4.2.2手動操作梯形圖手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規繼電器順序方式來設計梯形圖。“手動操作時”按下放松按鈕時，機械手卡抓松開，當松開放松按鈕時，機械手卡爪在液壓缸作用下自動加緊并保持；按下上升按鈕，上升輸出Y435保持接通；按下下降按鈕，Y436保持接通；在上限位按下慢進按鈕，慢進輸出Y430接通，至行程開關SQ7閉合，小車停止；快進、快退、慢退情況同慢進。手動操作梯形圖設置有互鎖，只有在小車處于左限位（即X403閉合）或右限位（即X412閉合）時機械手的上升下降動作才能進行，只有當機械手處于下限位（即X404接通）機械手的加緊放松動作才可以手動控制；為了安全，同一個電動機的正反轉線圈不能同時接通，設計中設計了自鎖開關，防止線圈同時接通造成的短路。故手動操作時梯形圖如圖3—9所示。

圖3—9  手動操作梯形圖

返回原位梯形圖 在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形圖如圖3—10所示：

圖3—10 返回原位梯形圖

“自動”狀態梯形圖 圖3—11表示了機械手自動工作時執行各工步的情況，表示了各工步的實現和轉換的條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y436接通。自下限位置時，X404接通，轉換為“夾持”過程；夾持電磁閥Y434復位，至加緊限位X406接通，轉換為上升動作；當上限為開關SQ4閉合，X405接通，小車開始慢進動作。快進、慢進、延時、下降、加緊、上升、慢退、快退、慢退動作依次類推，如上所述一步一步按順序驅動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。

圖3—11搬運機械手自動工作流程圖

用狀態器代替自動工作流程圖的各工步，可得到3—12所示的功能表圖：

圖3—12 搬運機械手自動工作功能表圖

根據圖3—12所示的自動工作功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖如圖3—13所示。

圖3—13搬運機械手自動工作梯形圖

結   論本設計主要應用于機加工生產，貨物調運等場合。搬運機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準確，提高了勞動生產率，保證了工件的質量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經濟效益和社會效益。可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機械手的控制系統的設計中起到了十分重要的作用。本文就設計過程中的幾項關鍵的問題提出了自己的一些看法,可以有效地提高系統的抗干擾能力,對PLC讀、寫,事件響應等通信時間可進行精確的控制,取得了良好的效果.隨著機械手應用的普及，機械手向著專用化，機械結構向模塊化、可重構化的方向發展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機械手開發中的開發應用還有很大的空間。

致  謝此次設計是在老師的悉心指導下完成的。導師為論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。王雪峰老師的嚴謹治學、不斷探索的科研作風，敏銳深邃的學術洞察力，孜孜不倦的敬業精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。生活中王雪峰老師就是我的朋友，他的態度讓我對生活有了新的認識。在本文結束之際，特向我敬愛的導師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設計，一方面讓我認識到自己的不足，發現了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。經過這次的努力，使我順利的完成了畢業設計。這份畢業設計既是對過去三年所學知識的總結，又是自己知識的積累，也大大加深了對單片機技術的了解。畢業設計中既動腦、，又動手，是一個理論與實際結合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經濟實用的優點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設計方案的優越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次像教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！鑒于本人所學知識有限，經驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。