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1、1、概述1.1 课题背景工业机械手的广泛应用，机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。宇宙及海洋的开发，军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.2 课题的提出随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器手所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工
2、业生产中，往往移动货物这一工序还需要人工操作，既费时费力，又影响效率。为此，我们把机械手的PLC自动控制作为我们研究的课题。1.3 课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为通用机械手；(2)机械手基本原理的设计；(3)机械手的控制系统的设计；(4)本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要求选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。2、机械手的总体设计2.1 机械手的概述工业机器手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人手操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产
3、设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手
4、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的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批
5、量生产中获得广泛的引用。2.2 机械手移动物体的基本构造机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图2-1 各系统相互之间的关系人机界面注塑机顶针信号PLC注塑机开合摸拟信号上下气动电磁阀引拔气动电磁阀横行变频器上下轴驱动引拔轴驱动横行轴驱动2.2.1 执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。机械手各部分组成列表2-1。各部分结构如图2-2所示。图2-2 各部分结构表2-1 机械手个部分组成表执行机构手部手腕手臂立柱行走机构机座驱动系统动力源控制调节装置辅助装置控制系统程序控制系统定位控制系统 位置检测装置
6、 (1)机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(2)立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。(3)手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。(4)手腕手腕是
7、连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。(5)手部手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平
8、移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件
9、、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。(6)行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另
10、外增设机械传动装置。2.2.2 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。考虑到机械手为通用机械手加之PLC控制的需要可选用电力驱动。(1)动力源为达到精确控制的目的，根据市场情况，本设计采用步进电机自我动力源。机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9/1.8，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采
11、用1040V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分
12、、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。(2)控制调节装置机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式，有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调
13、整方式，还配有RS-485、RS-232C通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。(3)辅助装置采用可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用2448V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。2.2.3 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的
14、控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(1)程序控制系统根据系统的设计要求，选用SIMATIC公司生产的 S7-200系列小型机。S7-200在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。S7-200的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设
15、备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它SIMATIC PC和可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。(2)定位控制系统在可回旋360度的转盘机构上，安装有公司生产的增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。(3)位置检测装置位置检测用传感器，由于机械手运用传感器较多这里就不一一列举。主要介绍位置传感器和压力传感器。控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。图2-3为位置传感器。图2-3 位置传感器机械手抓取物体，要控制这个抓取力，一般采用触力传感器，是因为接触而产生的力，不是通常意义的压力传感器。触力传感器（CUI公司的力-电阻型的触力传感器。负荷传感器=接触压力传感器），以及Honeywell公司的力-电压型触力传感器FSS系列。 如图2-4所示。图2-4 为压力传感器在自动生产线上使用着各种各样的机械手，它们不停地从事着搬运工件的工作。为保证机械手抓取及放置工件位置的准确性，往往采用接近传感器对它们的运动范围进行限位。图2-5是机械手左右运动限位的控制示意图。接近传感器设置在机械手
