水果抓取机械手控制系统设计Word文档格式.docx
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2抓取水果机械手控制系统的工作任务8
2.1确定所需要的的用户I/O设备及I/O点数8
2.2选择PLC10
3水果抓取机械手控制系统程序的设计13
3.1总体结构13
3.2手动操作程序14
3.3自动操作程序15
3.4程序的下载、安装和调试19
总结21
参考文献22
致谢23
附录Ⅰ24
前言
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，机器人技术不再局限于传统的工业和制造业，已被应用于众多领域。
如我国研发出特种机器人、农业采摘机器人。
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
机械手的是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。
机械手也被称为自动手，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。
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。
机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。
对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。
机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。
在社会主义新农村建设中，如何进一步发挥农业机械化的作用，从而推进新农村建设，是农机工作者所面临的新课题。
我国虽是一个农业大国，但随着农业生产的规模化、精确化、某些地域呈现出劳动力不足的现象，在加之苹果、桃子等水果的分类挑选是一项劳动密集型工作，以及水果生产对时令的要求，劳动力问题很难解决。
广大果农由于不能及时、准确地对水果进行抓取包装，从而使水果生产受到很大的影响。
水果抓取机械手的应用可以提高劳动生产率，解决劳动力不足问题、改善农业的生产环境、防止农药、化肥等化学药品对人体的伤害、提高劳动作业质量等。
下面介绍采用先进的可编程控制器PLC作为机械手的控制系统，可以克服以前继电器控制的诸多缺点，利用PLC作为可靠性高、抗干扰能力强、功耗低、环境适应能力强等特点，使机械手执行机构平稳，准时，准确地工作。
1机械手的介绍
1.1机械手的概述
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。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器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。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，是使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手虽然目前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大等特点，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，例如：
（1）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。
（2）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。
（3）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/
（4）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。
（5）宇宙及海洋的开发。
（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式。
机械式机械手；
按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2机械手的工作过程
机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。
工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。
当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。
1、机械手传送工件系统示意图，如图1所示。
（a）机械手的动作过程分解
控制面板
图1机械手的动作过程分解（a）及操作面板图（b）
机械手的动作过程分解图如图1所示。
从原点开始按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。
下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；
同时按夹紧电磁阀，机械手夹紧。
夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限开关，上升电磁阀断电，机械手上升停止；
同时接同右移电磁阀，机械手右移。
右移到位时，碰到右限开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。
若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。
同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。
放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。
上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；
同时接通左移电磁阀，机械手左移。
左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。
至此，机械手经过8步动作完成了一个周期。
1.3机械手的工作方式
机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。
自动操作又分为单步，单周期（主要用于调试）和连续操作方式。
手动操作：
就是用按钮操作对机械手的每一中运动单独进行控制，例如，当选择上/下运动时按下起动按钮，机械手上升：
按下停止按钮，机械手下降。
当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移；
按下停止按钮，机械手右移。
当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；
按下停止按钮，机械手放松。
单步操作：
每按依次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：
机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。
连续操作：
机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期性循环。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。
重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。
在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。
1.4气动机械手
气动机械手是指一压缩空气为动力源驱动的机械手。
其主要特点是:
极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。
但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
本设计所用的机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制，其中，上升/下降和左移和右移分别有双线圈二位电磁阀控制。
例如当下降电磁阀通电是，机械手下降；
当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。
只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；
当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。
同样，左移/右移分别由左右电磁阀和右移电磁阀控制。
机械手的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称夹紧电磁阀控制）。
当该线圈通电时，机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。
当机械手右移到位并准备下降是，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。
也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
基于PLC的机械手控制设计随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。
由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。
本文讲述的气动机械手主要作用是完成水果的抓取工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件货物运输更快捷、便利。
1.4.1气动机械手的结构
机械手结构如下图2所示，机械手为三自由度气压式圆柱坐标型机械手，主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂、气爪等部分组成。
手臂及气爪采用气缸等气动元件。
对应的物料分拣装置由4个普通气缸构成，用以装放部同大小的水果，然后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。
图2机械手结构图
当机械手处于原点使，左限位开关和上限位开关被压合，起动以后，机械手延-z方向移向A（工步1）,夹紧水果后返回到原位（工步2），再延x方向移向B，放下水果（工步3），最后返回到原位（工步4）完成一次循环，上述过程若采用常规的继电器控制，则很难识别以下两种情况：
一是机械手向下移动时，不能识别是向A点，还是向B点；
二是在2、3工步，是先回到原点，然后向右，还是直接由A点向右移到B点。
采用PLC的步进功能来实现对这一动作过程进行控制，不仅能有效的避免上上述动作的二义性，而且使整个控制过程准确、直观。
1.4.2气动机械手控制系统组成
机械手控制系统共有五部分组成：
支撑架、电磁阀、限位开关、气缸、气动夹具。
各部分由不锈钢材料组成。
（1）气缸是QGB-Q系列的，属于双电控带阀气缸，为自己保持式，电磁换向阀有记忆作用，当切断电信号时，阀位不变，气缸活塞位置保持不变，系统不受突然断电的干扰。
气缸的工作压力为0.15~0.8Mpa。
（2）限位开关共有四个：
上/下限、左/右限。
在机械手控制中，除了要对垂直手臂升降气缸、气爪等普通气缸进行控制外，考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性，对这种混合驱动机械手采用PLC作为核心控制器，上述各控制对象都必须在PLC的统一控制下协同工作，PLC采用上海香岛机电有限公司的ACMY-S80系列PLC
系统主要由机械、电气、控制三大部分组成。
其机械部分主要是机械手装置，由气缸、支承装载工件的机构组成。
电气部分有检测传感器（4个限位开关，1个光电传感器）、电磁控制阀（其中2个双线圈电磁阀和1个单线圈电磁阀），汽缸（2个滑动缸，1个摆动缸），控制部分选用ACMY-S80可编程控制器。
在升降气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器，用于检测气缸活塞的位置。
通过这些传感器的信号，在PLC的控制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控制，进而实现气缸的动作。
各气缸是由电磁阀控制。
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；
电磁阀并不限于液压还是气动；
电磁阀用一般者用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。
电磁阀控制气缸的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气的压力来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电
流就控制了机械手运动。
1.5机械手的工作原理
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。
在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。
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。
位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，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.
（一）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。
1、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在本课题中我们采用夹持式手部结构。
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。
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。
传力机构型式较多时常用的有:
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。
2、手腕
是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）
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、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。
机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、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。
（二）驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。
它由动力装置、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、机械传动。
（三）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。
该机械手采用的是PLC程序控制系统，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。
（四）位置检测装置
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置反馈给控制系统，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。
机械手的抓取能力可参照钳爪式手部的有关公式，结合机械手的几何参数进行计算。
由于壳体重量较轻（≤2 kg），夹紧缸内径d=40mm，所以在气压驱动系统中有足够大的夹紧力。
由于外气源工作压力较低，抓举力较小，刚好适用于抓取水果，不至于把水果抓烂，气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。
气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:
介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断
2抓取水果机械手控制系统的工作任务
水果抓取机械手执行机构的设计要求是能在控制系统的指令下，能将水果迅速，灵活，准确，可靠地抓起并运送到指定位置，因此设计要考虑到运动的速度，加速度等情况。
机械手抓取水果的动作过程为：
在原位下降（由立柱的升降气缸控制，下降过程中手指始终张开一定的角度，以保证不会损伤水果）——抓取苹果（由手腕旋转气缸和手部夹紧气缸共同完成，通过视觉识别系统来确定水果的分类）——上升并旋转（由立柱升降和旋转由气缸共同完成，将水果送至对应的传送带上方）——下降（由立柱升降气缸实现，将水果送至传送带上）——张开手指并放下水果（该过程由于受部夹紧气缸完成）——上升并旋转（由立柱升降气缸共同完成，机械手臂还原至初始位置）。
机械手的全部动作由气缸马达驱动，而气缸马达又由相应的电磁换向阀控制。
例如下降电磁阀通电时，机械手下降；
下降电磁阀断电时，机械手下降停止，只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；
同样，左移/右移分别由放松电磁阀和夹紧电磁阀控制，上转/下转分别由上转电磁阀和下转电磁阀。
2.1确定所需要的的用户I/O设备及I/O点数
2.1.1输入设备——用以产生输入控制信号
本设计中应包括：
（1）操作方式转换开关：
有手动，单步，单周期，循环等4个位置可供选择。
（2）手动时的运动选择开关：
应有上/下，左/右，夹紧/放松，等3个位置可供选择。
（3）起动，停止及复位按钮。
（4）位置检测元件：
机械手的动作是按行程原则进行控制的。
其上限，下限，左限，右限的位置分别用限位开关来检测。
（5）无工件检测元件：
右工作台上无工件用光电开关来检测。
开关及按钮在操作屏上的布置如图3,所示.各限位开关几光电开关的配置见图1.
图3操作面板布置图
其中光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
限位开关是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。
限位开关主要就是限定位置，比如行车之类的，当到末端位置，限位开关就触动，停止继续运动，不至于出轨，假如光靠机械阻挡制动不仅不利于设备，也浪费电能。
2.1.2输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件
本设计中应包括下降电磁阀，上升电磁阀，夹紧电磁阀，放松电磁阀，左移电磁阀，右移电磁阀。
为了机械手处于原点进行指示，还配置1个原点指示的指示灯。
各配置的设置图见图1
根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出PLC的I/O连接图,如图4所示。
由图可见，PLC共需要15点输入，6点输出。
图4PLCI/O连接图
由于不同机型的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号。
由图4给出的是ACMY-S80所对应的I/O点编号。
2.2选择PLC
该机械手的控制为纯开关量控制，且所需的I/O点数不多，因此选择一般的小型抵挡机PLC即可人。
另外，从PLC的功能方面考虑，该系统要实现的步进控制，可以用一般PLC具有的移位寄存器和移位指令来编程，但若选择具有步进指令功能的PLC，则实现步进控制就更加非常方便。
再者，由于所需的I/O点数为15和6点，考虑到机械手操作的工艺固定，PLC的I/O点基本上可不留余量。
结合书上所介绍的PLC可选用GE-I（I/O点数分别为15和9）和ACMY-S80（I/O点数为24和16点）PLC均能满足要求。
本设计介绍ACMY-S80PLC来实现水果抓取机械手控制系统。
当然，具有选择何种机型，还需要比较价格，配件，维修等方面的因素，使之更加经济合理。
ACMY系列PLC是上海香岛机电有限公司的产品，有ACMY-S256和ACMY-S80两个品种。
属小型抵挡PLC，其中ACMY-S80为更小型化的产品，它与ACMY-S256相互兼容。
本设计使用ACMY-S80。
2.2.1ACMY-S80PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得
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