基于PLC的搬运机械手控制系统设计

第一章  绪论

1.1 课题背景

机械手从出现发展到现在，得到了人们的一致好评，在各个行业都有所涉及。机械手最初的功能只具有简单的机械动作功能，主要结构有控制器、传感器、操作器、驱动器等，在三维空间完成循环、重复的动作。随着新兴技术的发展，机械手开始慢慢融合计算机技术、控制理论、人工智能等等，可以说它是科技的前沿、领军人，而且现代的机械自动技术运用的范围比较广，涉及工厂、军事、科研等，它带给人们的便利是无法预测的。

很多人认为机械手只是简单的代替人们一些繁杂的手工业，其实不是这样的。机械手和人类的手最大的区别在于，机械手更加的灵活，更加的耐用，人经常会感到疲累，但机械手不会有这样的感觉，就算它们重复一个动作上千次上万次它们也不会觉得累。这个行业的人都应该知道，机械人不仅有简单的替代功能，它还设置了很多其他的功能，比如可以敏感的检测周围的环境，并做出判断，若有危险就会自动发出警报。机械手的使用，增加了工业的精确度，人们在操作过程中常常会有很多误差，但是机械手就可以做到误差在设定的很小的一个范围内，减少了人们所造成的的损失^[1]。

在生产应用中，机械手的优点大致可以总结为以下几个方面：

① 大大减轻了工人们的劳动强度、降低了因工造成的不必要的伤害、保证产品质量较高；

② 机械手可以承受恶劣的工作条件，一无既往的代替人们的工作，可以说在这个方面才是最有意义的；

③ 机械手的使用范围广泛，功能多，举个例子例如它可以进行机械加工、还可以在冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输等方面发挥重要作用；

④ 机械手可重复使用，一个机械手大致可以工作几十年，避免了资源的浪费。

工业机械手目前被广泛应用在品种多变的中小批量生产中，这都是基于机械手的形式灵活的优势所在，仅靠改变编程程序就可以迅速适应新的生产要求。机械手的操作程序简单易懂，不属于那种复杂大型难操作的设备，同时其专业性较强，普遍得到了人们的青睐。

1.2 国内外发展趋势

在介绍机械手的发展时，首先简单说明什么是机械手。顾名思义，其就是一种可以模拟人的手臂弯曲扭转、手抓的抓取目标、可编辑程序的机械构件。从机械结构上分析，它可由：臂、爪、躯干、机座组成。从功能部件上划分，主要由执行部分、驱动部分、控制系统组成。

机械手目前的种类大致可以分为四种，液压式、气动式、电动式和机械式。不同的种类使用的环境和条件不一样，但是它们有共同的特点，例如他们都可以通过编程的改变来灵活适应工作要求，兼具人的灵活性和机械的操作性。

早期的生产主要是针对某一具体功能或者是适应某一特殊领域的，因此专用型使用最为普遍。但是现如今机械手主要以通用型为主。

最早的一台机械手也是诞生在美国，因为技术的局限性导致机械手的价格非常高，因此这也限制了机械手的进一步发展。随着机械水平的不断提高和市场需求量的不断扩大，为了能够取代人类，而又避免昂贵的价格，简易型机械手由需而生。机械手形成一定的规模在19世纪60年代，从那时起，机械手开始快速发展，一直到现在，它都直接促进着我国经济的发展。目前，国外机械手发展较为超前，也繁衍出很多知名品牌，比如：WITTMANN、KUKA（库卡）、有信机械手Yushin、ABB等。在检测技术、控制技术、制造技术的支撑下，机械手的可靠性可精度越来越高，而且当前很多厂家在机械手上加入了视觉功能，智能化程度不断提高。

我国在这方面起步较晚，改革开放后我国的大门才真正打开，我们才有机会向先进的技术学习。在国外已有的技术基础上我国的机械手行和也得到了迅猛的发展，特别是2010年后，机械手的发展进入了一个全新的技术时代。

机械手的使用提高了我们制造的可靠性、改善了工厂生产结构，优化了工人工作环境。但就当前市面分析，机械手缺乏统一的标准，而且制造成本太高，在未来的发展中主要趋向以下几点：

A. 运行高精度、高可靠性

B. 执行标准统一化、系统化

C. 制造要低成本

D. 操作简便化

E. 本体智能化

1.3 课题研究意义

本次设计主要是完成对食品加工厂的搬运机械手（降打包好的物品从一点转移的另一点）的控制部分研究设计。在传统食品加工中，早期主要是通过人力进行物品转移，这样一个工作需求消耗很多的体力，为了加快生产效率降低体力消耗，一些工程加入了机械设备，但是这些设备并没有达到人们想要的效果。很多之前的设备虽然可以代替人力工作，但是有很多缺点，人们无法看到机械手的运行状态、无法简单地操纵机械手等等，在便利的同时也带来的很多问题。

基于之前设备中出现的问题，本论文的设计借助控器件PLC设计出一套更为人性化食品加工厂的物品搬运转移机械手，在人机交互上我加入触摸屏设备，用户可以实时监控现场运行状况，触摸屏人们可以像操作手机一样，方便的控制机械手的内部运行系统。本论文设计的系统以PLC为核心，使用PLC最大的优势在于我们能随时对系统的开关进行控制，从而实现机械手的动作。同时，我们可以把设计的机械手系统和其他的大型设备连接起来，对那些只有机械而没有系统的产品最大利用化。将PLC技术应用于机械行业，最突出的优点有：1.PLC体积小、质量轻，便于携带，将它安装于不同的设备非常方便，体积小同时节省了空间，并且在能耗方面也有所减少；2.PLC编程语言简单，操作方便，对于刚上手的工作人员来说不需要花费大量的时间去学习它，我们操作时，只需通过简单的逻辑计算就可以实现对它的控制。3.PLC系统具有自动检测功能，当机器出现故障或者其他问题时候，PLC系统会启动自动检查程序，对内部的系统进行扫描，检测出可能出故障的地方，在维修人员进行维修时，大大减少了其复杂性。PLC在运行过程中，它的能耗比较少，符合我国节能减排的理论，这也是它被推广使用的原因之一。因此PLC技术在各行各业受到广泛的青睐，在市场销售中也占了一定的份额，给我国经济带来一定的促进作用。

虽然当前市面上有很多智能型的机械手设备，它们完全可以实现搬运转移功能，但对一些小型企业来说他们仍然承受着购买的巨大压力。本论文所设计的产品恰好折中，系统在实现功能的基础上大大减小了购买成本。这对一个小型企业来说是非常重要的。另外传统的机械手调控比较难，一般需要专门的技术人员进行操作，本此设计系统非常简单，支持多种模式操作，在初始安装时，系统可以通过手动控制完成各个限位器件的位置确定。鉴于以上优点，可见这样的机械手在当前社会生产特别是对小型企业来说是非常有必要的，其意义重大。

1.4 主要研究内容流程

本文通过PLC设计机械手系统，能够自动进行货物的抓取、运输，同时可以自动模式和手动模式。主要研究内容如下：

（1） 设计系统控制方案，根据系统的控制要求设计控制方案和系统结构图和工作原理图。

（2） 对相应的硬件进行基本介绍和完成系统的硬件设计，主要器件的选型和接线图的绘制。

（3） 根据设计的方案和控制要求完成控制程序的编写和组态界面的开发，对相应程序和界面进行基本介绍。

（4） 对完成的系统设计进行仿真验证，检验系统的可行性和稳定性。

（5） 对整个系统进行评估，系统性的介绍。对系统仿真的结果进行分析，说明系统的效果。

第二章 搬运机械手系统结构

2.1 机械手分类及结构

2.1.1 机械手分类

机械手的分类可以用不同的方式分为几类，比如按使用范围分，可为专用机械书和通用机械手；按驱动方式分，可为机械式、电动式、气动式、液压式。机械手一般不单独使用，常常和其他机器结合使用，在机器运行的过程中，给机床或者生产线传递工件，安装道具等。机械手的操作有时候需要人工的帮助，机械手在机械行业的使用越来越广泛，进一步提高了生产能力。

2.2.2 机械手组成结构

机械手的功能和结构都多种多样，有较为复杂的结构，也有较为简单的结构，但不管复杂的还是简单的，机械手基本的组成结构一般都是一样的，包括执行机构、驱动系统、控制系统和辅助装置。下面分别对它们做详细的说明：

(1) 执行机构

机械手的执行机构是我们可以观察到的机构，大都显示在外侧。机械手由支柱、连杆、手臂、抓手等组成，跟人胳臂和手的样子很像。支柱用来支撑机械手，有的支柱可以移动，有的可以滚动；连杆将这些器件连接起来，组成一个完整的系统；抓手是用来拿取工件，完成人手可以完成的工作。

(2) 驱动系统

机械手的驱动系统有四种驱动方式，分别是电气驱动、机械驱动、液压驱动和气压驱动。

(a) 液压驱动式 液压驱动系式机械手特点是压力提供动力，这个提供压力的装置叫做液动机，基本上以油作为压力，如油缸、油马达等，此外驱动装置还由油箱、伺服阀、底座等构成完整的驱动系统。机械手执行抓取动作，抓取的物体较重，因此要求机械手具有可靠性，比较牢固，对液动机的要求需要其密封严实，不能出现漏油等现象。
　　(b) 气压驱动式 气压驱动式机械手的特点是大气压提供动力，这个提供气压的装置叫做气动机，以空气为主，其需要空气压缩机辅助工作。气压驱动式机械手它的动作比较迅速，成本低廉，但是在压缩空气时空气的压力不能太大，不然会造成爆炸的可能，因此气压驱动式机械手不能抓取过重的物体。
　　(c) 电气驱动式 电气驱动方式是机械手使用比较广泛的一种，它通过电力驱动机器，比较简便可靠，其控制方法也可以多种多样，对于信号的检测和处理十分简便。电机的驱动一般使用步进电机，步进电机旋转速度比较快，因此应辅助减震减噪装置。
　　(d) 机械驱动式 机械驱动式机械手目前使用的场合比较少，一般应用于固定的场合，通过连杆或者其他机构的结合来完成指定的动作。它具有工作效率高、成本低等优势，但也存在一些明显的不足，就是它的灵活度不够，不易于调整。

(3) 控制系统

机械手的控制系统分为两种，一种是点位控制系统，一种是连续轨迹控制系统。不管是哪一种控制系统，它们的控制系统都包括工作顺序、运动速度、运动时间、工件位置等。

在两种控制系统中，我们最常用的是连续轨迹控制系统，控制系统根据所要达到的动作要求进行一系列设计，其采用的控制方法是数字顺序控制法，连续轨迹控制系统使用的场合是所有运动参数同时控制的场合，也就是我们常说的连续情况。在使用系统前，我们先对编写的编程语言存储到设备中，然后再执行规定的程序，编程语言的存储分为两种：一种是分离存储，一种是集中存储，这两种存储方式的不同在于存储装置的不同，分离存储是存储在两个以上得到设备中，集中存储是存储在在一个设备中。分离存储适用于钻孔、插销板、继电器等中，集中存储适用于磁带、磁鼓等设备中。
　　机械手在工作的过程中，控制系统会按照先前设定的程序，以一定的顺序、方向、速度、加速度进行一系列动作，对于简单的机械手控制系统不需要设定专门的控制系统，只需要开关、继电器、等元器件完成产品的动作。复杂的机械手控制系统需要的元器件也比较多，加入了编程语言的控制、微型计算机技术等，完成的动作比较复杂。

 (4)辅助装置

辅助装置用来将机械手各个元件连接起来或者提供一定的支撑，比如底座、油箱、管道等。

本次毕业设计选择的执行机构为简单的抓取、放开动作，选择普通的夹紧装置。驱动方式采用电气驱动，利用步进电机来控制机械手的左右移动。控制系统见2.3小节的分析，辅助装置为机械手的基座，基座为固定式。

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