工业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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。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。用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动﹐实现生產的机械化和自动化﹐代替人在有害环境下的手工操作﹐改善劳动条件﹐保证人身安全。20世纪40年代后期﹐美国在原子能实验中﹐首先采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后﹐机械手逐步推广到工业生產部门﹐用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料﹐也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用﹐完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同﹐常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

第一章 绪 论

1.1课题背景与现实意义

可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。近年来，对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视，并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这方面起步较晚，研究多集中在理论方面。因此，设计制造一个实际的搬运机械手平台，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的。

1.2 可编程控制器的产生特点及发展趋势

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可*性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

PLC的主要特点：

1、高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合 

4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 

PLC的发展阶段：虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：

1、早期的PLC（60年代末—70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

2、中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。3、近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。

1.3 本文主要工作

本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个工业机械手，能实现工业机械手的基本功能。工作内容:

（1）阐述机械手在工业应用中的作用和意义

（2）设计机械手的方案选择与实现

（3）机械手的硬件设计原理,包括可编程控制器型号的选定，PLC的电气连线图,I/O地址分配表等

（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。

（5）最后是系统调试和参考文献的列举

第二章 方案论证和选择

2.1 题目与要求

采用电气控制的搬运机械手，其任务是把左工位的工件搬运到右工位，机械手的工作方式分为手动和连续两种。   

工作方式如下：

机械手在原位压左限位开关和上限位开关，按启动按钮机械手开始下降，下降到左工位压动下限位开关后自停；接着机械手夹紧工件后开始上升，上升到原位压动上限位开关后自停；接着机械手开始右行直到压动右限位开关后自停；接着机械手开始下降，下降到右工位压动下限位开关（两个工位用一个下限位开关）后自停；接着机械手放松工件后开始上升直到压动上限位开关后自停（两个工位用一个下限位开关）；接着机械手开始左行直到压动左限位开关后自停。至此一个周期的动作结束，开始下一个周期的运行。

在手动方式下按下按钮则机械手开始一个动作，松开按钮则停止该动作。

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。

2.2 方案选择与论证

2.2.1利用单片机实现对机械手的控制

由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。所以不宜选用此方案。

2.2.2利用传统继电器实现对机械手的控制

此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制系统不能选用此方案。

2.2.3 实现对机械手的控制

此控制系统利用PLC就可以非常容易的实现。基于PLC的优点在绪论中已经阐述，对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。 PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

系统输入信号有3个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计14个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。

不需模拟量模块，选择三菱系列的FX2N-40MR，加上数字量输入模块MR321及输出模块MR322就可以满足要求，而且还有一定的裕量。

所以选用PLC实现对机械手的控制为最佳方案，本次设计就选用此方案进行设计。

2.3系统流程图

机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调整和检修。下图是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。

整个系统流程可用图2-2来说明

图2-2  系统流程图

第三章  系统的硬件设计

3.1  功能按钮概述 

系统输入信号有3个启动按钮，4个限位开关，5个手动输入信号，1个有工件检测信号，共计14个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左移/右移驱动信号和机械手夹紧驱动信号，共有5个数字量输出信号。

3.2机械手传送系统输入和输出点分配表

机械手传送系统输入和输出点分配表如表3-1所示。

表3-1  机械手传送系统输入和输出点分配表

输入和输出点分配表如表3-2所示。

表3-2  输入和输出点分配表

输入和输出点原理接线图如图3－1所示。

图3-1 原理接线图

第四章  系统的软件

操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序

4.1 机械手操作系统程序图及原理

4.1.1 操作程序图

(X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。其操作系统程序如图4-1所示。

图4-1 机械手操作系统程序

4.1.2 操作系统原理

把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。

4.2 原位程序

回原位程序如图4-2所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器MR8043置1。

图4-2 回原位状态转移图

4.3  动单步操作程序　

图4-3中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。可执行手动单步操作。

图4-3 手动单步操作系统

4.4  自动操作程序

4.4.1  程序原理

当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。

移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

4.4.2操作原理图

 操作原理图如4-4所示。

图4-4 自动操作状态转移图

4.5 机械手传送系统梯形图

回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。

图4-5 机械手传递系统梯形图

图4-5中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图4-5的操作系统运行的。

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。因本系统为课程设计项目，所以模拟调试和现场调试都将在实验室进行。

4.6系统调试

4.6.1 程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的指示灯来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

4.6.2 程序的现场调试

完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

第五章  总结与展望

5.1系统总结

可编程控制器PLC以其丰富的I／O接口模块、高可靠性，在机械手控制系统的设计中起到了十分重要的作用，但在PLC控制的过程中，还有许多问题需要解决，本文就机械手自动控制系统的过程中的硬件的选择与设计以及软件的编程中的几项关键问题提出了自己的一些看法，经实践证明，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对PLC读、写，事件响应等通信时问可进行精确控制，取得了良好的效果。

在系统设计设计过程中，我遇到了很多设计方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我翻阅了大量的书籍和资料，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中的收获是非常丰富的。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不是一蹴而就的，都需要付出很艰辛的努力。

5.2 展望

性和各种环境中完成作业的。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

参 考 文 献

[1]  赵金荣,叶真编.可编程序控制器原理及应用,上海应用技术学院,2003

[2]  董儒胥主编. 电工电子选训教程，上海交通大学出版社，2006

[3]  王兆义主编. 可编程序控制器教程 ，机械工业出版社，2003

[4]  钟肇新， 彭侃编 . 华南理工大学出版社，2001   

[5]  王永华主编. 现代电气及可编程技术，北京航空航天大学出版社

[6]  汤以范主编. 电气与可编程序控制器技术，机械工业出版社，2004

[7]  苗常初编.  PLC编程及应用，机械工业出版社，2003

[8]  廖常初.  PLC编程及应用机械工业出版社 ，1999

[9]  郁汉琪主编.机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书，

高等教育出版社，2001   

[10] 易传禄主编.可编程序控制器应用指南，电子工业出版社，2005

[11] 胡学林.可编程控制器教程（实训篇），电子工业出版社 ，2005

[12] 易传禄. 可编程序控制器应用指南，  上海科普出版社,2002

[13] 朱绍祥. 可编程序控制器(PC)原理与应用，  上海交大出版社,2004 

[14] 方承远. 工厂电气控制技术， 机械工业出版社,  2003

潍坊学院本科课程设计成绩评议表