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机械手毕业设计
摘要
随着科学技术的日新月异，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运方式已经不能满足当前高度自动化的需要。
减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
本设计应用了西门子编程软件STEP7，在研究机械手工作原理和工艺流程的基础上，进行了控制方案的分析与I/O建立，并开发了机械手的手动和自动控制子程序。
应用仿真软件进行机械手控制系统的仿真调试，达到预期效果。
机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。
较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。
在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
关键词:
机械手；自动化；可编程控制器
Abstract
Withtheever-changingscienceandtechnology,marketcompetitionintense,laborcostrise,formerlythemanualhandlingcan’tmeetthecurrentneedsofthehighlyautomated.Reducesthelaborintensity,thesafeguardproductionreliability,thesecurity,reducestheproductioncost,enhancetheproductqualityandtheeconomicefficiencyisthemajorissuewhichtheenterpriseproducesmustface.
DesignapplicationsSiemensprogrammingsoftwareSTEP7,wecarriedouttheanalysisofthecontrolschemeandestablishtheI/Olist,thenIdevelopthemanualcontrolandautomaticcontrolprogramofManipulator.Finally,wesimulatetherobotcontrolsystemsimulationdebugging,Alltheseworkdependonthesimulationdebugging,thenachievedtheeffectwehaveexpected.
Manipulatoristobeabletoimitatehandmovement,andaccordingtosetprogram,locus,requiredsubstitutemanpowertograb（inhale）,takethingsortoolortheautomationinstallationthatoperated,itcanbepartialtoreplacethehandworklaborofperson.Themanipulatorofhigherleveltypecanstillimitatethearmmovementofperson，completesmorecomplexwork.Ithasbeenwidelyusedinmachinerymanufacturingindustry,whichgreatlyimprovedtheworkingconditionsofworkers,significantlyimprovedlaborproductivity,andacceleratethepaceofmechanizationandautomationofindustrialproduction.
Keywords:
DesignofManipulator；Automation；PLC
第1章绪论
1.1PLC在工业控制应用现状
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求做出快速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
从1968年通用汽车公司提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置以来，其发展势头迅猛，目前PLC的年生产增长率仍保持在30%～40%的水平。
同计算机的发展类似，目前PLC正朝着两个方向发展。
一是朝着小型、简单、价格低廉的方向发展，如德国SIEMENS公司的LOGO和S7-200、日本OMRON公司的CQM1等一类PLC。
这类PLC可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。
二是朝着大型、高速度、大存储容量、高性能、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。
如德国SIEMENS公司的S5-115U和S7-400、日本OMRON公司的CV2000等一类PLC。
现场总线技术在工业控制中越来越被广泛地应用，网络化和强化通信能力是PLC的一个重要发展趋势。
PLC构成的网络将有多个PLC、多个I/O模块相连，并可与工业计算机、以太网等构成整个工厂的自动控制系统。
另外，为了满足各种特殊功能的需要，通信模块、位置控制模块、快速响应模块、闭环控制模块、模拟量I/O模块、高速计数模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块、语言处理模块等各种智能模块相继出现，进一步改善和提高了PLC的实时性精度、分辨率、人机对话等方面的能力[1]。
1.2机械手国内外现状
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。
汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。
传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。
机械手的积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
传统观点认为，气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。
此外，气源工作压力较低，抓举力较小。
气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受，对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果，它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。
90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人—“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。
Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。
它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。
六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走（包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上）。
该机器人轴心的圆周边上装备着等距离（根据步距设置）的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。
这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。
机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。
操作者可对机器人进行监控[2]。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了机械手。
车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的机械手。
高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的机械手应用之一。
此外机械手还应用于酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧机械手，牛奶盒装箱机械手，特别是机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。
如：
DaVinci外科手术机器手等。
1.3机械手发展方向
精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。
重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。
重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。
重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。
随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。
气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等[3]。
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。
模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。
它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。
由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。
优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。
模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。
1.4待解决主要问题
本控制系统运用与STEP7完成控制系统的组态开发、编程等功能，需要解决的问题：
（1）从用户的需求入手确定合适的设备选型；
（2）详细分析机械手的逻辑控制时序过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出机械手统控制程序的功能模块和设计方案；
（3）在介绍PLC逻辑控制的基础上，分析机械手生产过程，利用PLC强大的数据处理能力，提出保障系统可靠性、安全性的一些措施。
第2章机械手控制系统介绍与分析
自动化机械手控制系统是集现代可编程控制（PLC）技术、计算机技术和监控技术为一体的新一代自动化控制系统。
该系统完全可以取代传统的人力手动控制方式。
与传统的手动操作控制方式相比，该系统不但满足了现代工业流水线生产的高速运行，而且在一些危险场合实现无人自动控制，达到安全生产的目的。
图2-1为机械手的控制简析图。
图2-1机械手控制简析图
2.1机械手工作过程及结构组成
机械手控制系统主要包括两个方面：
一方面是机械结构；另一方面是自动化控制。
机械结构是控制系统的基础，是实现控制功能的前提；自动化控制是实现控制功能的核心部分。
自动化控制过程变化灵活，逻辑要求严密；机械组成相对简单，其结构、设备组成都比较固定。
2.1.1机械手工作过程
机械手在生产线上的任务是将工件从D点传送到E点，在此系统中还需要利用传送带将部件运输到下一个生产工序。
机械手在空间上主要进行以下动作：
机械手下降，机械手抓紧工件，机械手与工件上升，机械手与工件有右移，机械手与工件下降，机械手放松工件，机械手上升，机械手左移。
控制器检测上、下、左、右限位开关的通断，决定当前的动作，通过驱动系统输出，控制机械手的动作。
根据机械手控制简析图分析，A缸、B缸、C缸分别为机械手动力装置，MC为传送带驱动电机。
LS0为原点指示，LS1为A缸左限位开关，LS2为A缸右限位开关，LS3为B缸下限位开关，LS4为B缸上限位开关，LS5为传送带部件指示。
当机械手处于A缸收缩到最右端、B缸收缩到最上端、C缸松开状态时，机械手位于初始位置。
机械手开始工作时，B缸下降，直到LS3有信号产生时B缸停止下降，此时说明B缸已到达下限位；同时C缸动作，使机械手夹紧部件，延时2秒后B缸收缩，直到LS4有信号产生，此时说明到达上限位；此时C缸仍处于夹紧状态，A缸开始右移，直到LS1有信号产生，说明气缸已到达右限位，A缸停止右移，部件位于传送带上方；然后B缸下降，直到LS5有信号产生时B缸停止下降，此时说明B缸已到达下限位，同时C缸放开部件，启动传送带。
延时2秒后B缸回到上限位，A缸回到右限位，延时3秒后传送带停止，完成一次循环任务。
机械手控制顺序如图2-2所示。
图2-2机械手控制顺序图
2.1.2机械手结构组成
1.手部结构
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。
机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。
钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。
其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式，如图2-3所示。
1.手指2.销轴3.拉杆4.指座
图2-3滑槽杠杆式手部受力分析
2.腕部的结构
腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。
设计腕部时要注意以下几点：
（1）结构紧凑，重量尽量轻。
转动灵活，密封性要好。
（2）注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题，要适应工作环境的需要。
（3）通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
3.臂部的结构
臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有二个自由度，即手臂的伸缩和升降运动。
手臂的升降运动是通过立柱来实现的；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。
手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。
手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。
同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。
因此设计臂部时一般要注意下述要求：
（1）刚度要大。
为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。
弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。
所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
（2）导向性要好。
为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
（3）偏重力矩要小。
所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。
（4）运动要平稳、定位精度要高。
由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。
故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。
4.液压传动系统
机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。
电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。
压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。
手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。
手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。
这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动[4]。
液压传动系统主要由以下几个部分组成：
（1）油泵：
它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。
（2）液动机：
压力油驱动运动部件对外工作部分。
手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。
也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。
（3）调节装置：
各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。
2.2机械手控制功能要求
机械手控制功能要求主要有两方面：
一方面是信号检测，一方面是控制方式的确定。
1.信号检测
机械手控制系统信号输入检测主要涉及三类信号的监测，主要包括：
按钮的输入检测、限位信号的输入检测，以及故障信号的输入检测。
（1）按钮输入检测。
大多数为人工方式控制的输入检测，主要有启动按钮、停止按钮以及工作方式切换按钮等。
（2）限位信号的输入检测。
限位信号是指机械手在运动过程中当到达指定位置时由传感器产生的信号。
机械手运动到最左边或者最右边时，左限位传感器或者右限位传感器将会产生电信号，并且控制器将检测这些电信号，并且通过控制器控制发出控制信号，使机械手停止向右或者向左运动，从而实现机械手稳定、准确的生产。
（3）故障信号的输入检测。
在生产过程中由于机械部件的磨损老以及其他外界的影响，机械手运动时会出现不同的故障。
故障出现时应当使机械手自动紧急停车，避免造成人员受伤和更多的经济损失。
此时故障信号发生器将产生一电信号，通过控制器检测此信号，并发出紧急停车的命令，实现安全生产。
2.控制方式
机械手控制方式主要有两种，一种是由安装在现场启动开关控制，即手动控制；另一种是以控制器为核心，通过上位机监控软件控制，即自动控制。
在手动控制中，需要在控制面板上安装设备开关，通过操作开关来控制现场设备，利用按钮对机械手每一步动作进行控制。
例如，按下“上升”按钮，机械手上升；按下“右移”按钮，机械手右移。
手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
在自动控制系统中需要设计单步运行、返回初始位置、单周期运行和全自动运行，并且要求自动挡的操作必须在返回初始位置的基础上才能进行。
单步运行是指机械设备按照一定的工作流程对整个系统进行一步步的操作；返回初始位置是指按下此按钮时使机械手自动回到初始位置；单周期运行是指按下启动按钮时，机械手自动完成一个周期动作，并且返回到初始位置；全自动运行是指按下全自动按钮时，机械手自动返回初始位置后，按正常工作顺序自动反复连续工作。
当机械手生产运行出现故障时，整个操作系统必须紧急停车。
当机械手控制系统需要停止时，必须完成最后一个工作任务，并回到初始位置。
2.3控制方案确立
机械手控制系统主要功能是实现生产线的自动运行生产，并且在出现故障是能够自动紧急停车。
机械手的自动控制既能满足节省劳动力的要求，又能实现安全、稳定高效的生产需求。
通过对机械手工作过程及控制要求的分析和研究，机械手控制系统主要涉及数字量控制点，其中包括数字量信号输入点和数字量信号输出点，并能够确定其I/O点表，如表2-1所示。
表2-1机械手控制系统I/O点表
序号
描述
符号
类型
1
启动按钮
QDAN
DI
2
停止按钮
TZAN
DI
3
自动/手动
SZD
DI
4
急停按钮
JTAN
DI
5
连续/单周期
LXZQ
DI
6
上限位
SXW
DI
7
下限位
XXW
DI
8
左限位
ZXW
DI
9
右限位
YXW
DI
10
手动上升
SSS
DI
11
手动夹紧
SJJ
DI
12
手动左移
SZY
DI
13
传送带故障
CSGZ
DI
14
手动下降
SDXJ
DI
15
手动松开
SDSK
DI
16
手动右移
SDYY
DI
17
传送带部件指示
LS5
DI
18
手动启动传送带
SQCSD
DI
19
原点指示
LSO
DI
20
A缸故障
AGGZ
DI
21
B缸故障
BGGZ
DI
22
C缸故障不能夹紧
CGJJGZ
DI
23
C缸故障不能松开
CGSKGZ
DI
24
回到原点
HYDQ
DO
25
下降
XJQ
DO
26
夹紧/松开
JJQ
DO
27
上升
SSQ
DO
28
右移
YYQ
DO
29
左移
ZYQ
DO
30
传送带
CSDQ
DO
由I/O点表可知，此控制系统开关量很多，并且各个开关量间的逻辑关系复杂。
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此在设计机械手控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。
设计前应该深入现场进行调查研究，收集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2.在满足控制要求的前提下，力求使控制简单、经济高效、能耗低，使用及维修方便。
3.保证控制系统的安全、可靠。
同时为了现自动化控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
以下是选择PLC作为核心处理器的理由：
PLC具有体积较小、设计周期短、数据处理和通信方便、易于维护和操作、明显降低成本等优点，可满足机械手的功能要求。
除此之外，PLC作为机械手控制系统使设计过程变得更加简单，可实现的功能变得更多。
由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使机械手系统的数据传输与通信变得可能。
考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当的留有余量。
其中PLC的选择包括机型的选择、CPU的选择、I/O模块的选择、电源模块选择等。
本课题主要选用西门子PLCS7-300系列。
主要根据如下：
1.选用该机型可以满足机械手工艺控制要求。
2.西门子PLC目前应用比较成熟，技术上有保证，且有丰富的成功经验可以鉴戒，缩短系统开发的周期，降低成本。
3.西门子S7-200通讯功能比较弱，不利于上下位机的通讯，同时功能比较简单，不能满足控制要求。
S7-400主要用于大型的集散控制系统中，所以选用S7-300就可以满足工艺控制要求[5]。
2.4控制结构设计
根据确立的控制方案，机械手自动控制系统的总体框图如图2-4所示，西门子PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，完成相关设备的运行和停止。
图2-4机械手控制系统示意图
根据工艺要求确定被控系统需要完成的控制动作，确定这些动作之间的逻辑关系，自动控制系统设计步骤如下：
1.分配输入/输出设备，即确定外围设备传送给PLC的输入信号和P
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