范文一：仿形机械手设计手册

鄂东职业技术学院

设计说明

蜘蛛仿形机械手设计说明书

作品名称: 仿形机械手

小组成员: 赵云云 张涛 卢潇

指导老师: 匡鑫 段瑞永

时间:二О一二年 十月 七 日 , 十一月 十 日 共 五 周

目 录

摘 要..................................................................... 4 Abstract ....................................................................... 5 一、研究背景............................................................. 6

1.1(现实情况.............................................................................. 6

1.2机器人发展过程 ...................................................................... 7

1.3.机械手在生产线上的应用 ........................................................ 9

1.4今后我国机械手市场发展趋势 ................................................10 二、机械手设计过程...........................................................12

3.1 设计理论 ..........................................................................12

3.2 分工设计 ..........................................................................12

3.2.1、连杆的设计................................................................12

3.2.2、齿轮箱.......................................................................13

3.2.3、执行件.......................................................................14

3.2.4、支柱 ..........................................................................14

3.2.5、液压缸.......................................................................15

3.3 总装 .................................................................................16

3.3.1、齿轮箱装配................................................................16

3.3.2连杆与传动件的装配 ....................................................16

3.3.3执行件与主体的装配 ....................................................17

3.3.4连杆的装配 ..................................................................17 四、零件加工........................................................... 18

4.1零件的分析 ............................................................................18

4.2数控编程 ...............................................................................18

4.3工艺卡片 ...............................................................................19

4.4功能参数 ...............................................................................22

4(5刀具轨迹.............................................................................32

4.6 NC数据.................................................................................35 总 结................................................................... 37 参考文献.................................................................... 39

摘 要

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。

现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。

目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。 气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。

Abstract

Over the past 20 years, the application fields of pneumatic technology rapidly expand, especially widely used in all kinds of automatic production line. Electrical programmable control technology and pneumatic technology can be combined to make the whole system higher degree of automation, control mode more flexible and more reliable performance. The rapid development of pneumatic manipulator and flexible automatic production line put forward higher requirements for the pneumatic technology; The introduction of microelectronics technology promoted the development of electric proportion servo technology.

The development of modern control theory makes the pneumatic

technology switch from the control into the closed-loop proportion servo control and control accuracy are improving; Because gas artery width modulation technology has the advantages of simple structure, resisting pollution ability and low cost etc., both at home and abroad are vigorously making development research. The traditional robot joint is much droved by motor or liquid (gas) pressure cylinder. In this manner, driving joints, position precision can achieve very high, but its stiffness very often, and it's more difficult to realize the joint and exercise.

At present imitate biological joint drive mode gets more and more applications in the bionic robot.In this application for similar biological joint good characteristics, it typically uses the similar biological muscle characteristics of the artificial muscle. Pneumatic muscle is artificial muscles appearing very early, and its application is extensive as a driver, with the advantage of light weight, simple structure and easy control, etc. The application is used in the kind of person robot, crawling robot and rehabilitation auxiliary equipment. Its basic application forms are mostly USES a pair of pneumatic muscle component joint way

一、研究背景

1.1(现实情况

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠

性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.2机器人发展过程

机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制;控制方式则为开环式，没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算

机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。

随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业(广义的)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难(或不可能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段: (1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。 (2)1968-1970

年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人;1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。 (3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。

1.3.机械手在生产线上的应用

机械手作为近代自动控制领域中的一项新技术，已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展源于它的积极作用日益为人们所认识:首先，它能部分地代替人工操作，大大改善工人的劳动条件;其次，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传输和装配，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。为了满足曲轴加工线的大批量生产，并实现在规定生产节拍内，准确地完成设备机床的上下料，上汽通用五菱汽车股份有限公司引进了德国某公司生产的上下料输送装置机械手。通过对此上下料机械手系统的验收，并结合其在正式生产运行的PMC统计

数据。运用机械手对OP70多砂轮磨床和OP80双砂轮磨床进行上下料，在OP70与OP80之间用Buffer 2来进行缓冲，以缓冲可能由于OP70磨床磨削主轴颈过快及OP80磨削连杆颈过慢导致的过多曲轴。采用机械手进行上下料，原本可以大大提高生产效率，进而满足最初设计的生产纲领需求。在不考虑其他任何停机因素的情况下，该工位每个班(7.5h)理论可完成562件。然而，在正式投产后发现，机械手并没有达到最初的设计要求。现在OP70的单台加工循环时间为68s，机械手上料时间为12s，合计80s;工位合计循环时间为40s;该工位每加工10件零件需要花80s来对砂轮进行一次修整，图2为机械手的逻辑时间。在实际运行时发现，机械手在机床和缓冲Buffer 2上出现了一些问题:当OP70磨床当中有一台机床需要修整一次砂轮，线上的Buffer 2中有零件，Buffer 2上面的shift unit上没有零件，本来机械手应该从Buffer 2缓冲区上取料到shift unit上，以满足下道工序OP80机床的加工。但是机械手并没有进行这步动作，而是回到OP70机床前面的shift unit去取料，并停留在OP70机床上方等待机床修整完砂轮，给机床送完料后，再到Buffer 2缓冲区当中取料给Buffer 2上的shift unit，然后OP80上的机械手从shift unit上拿料到OP80磨床加工，这样会造成后工序缺了一件料，影响生产线速。按照每天3班，251个工作日来算，一个班会少生产56件，每年至少减少生产56×3×251=42 168根曲轴。机械手在机床上方的等待问题会对我们的产能造成很大的损失。机械手虽然能代替人工操作，大大改善工人的劳动条件，将操作工人从繁重、单调的工作环境中解放出来，提高劳动生产效率。但是相对人的思维逻辑，如果机械手的逻辑时间设计不合理，也会造成生产延误与浪费。要找到最优的生产时间，需要经过生产实践的验证和摸索，对生产中影响到生产效率的几个瓶颈工位进行分析，并制定可行性方案，从而实现曲轴线生产的产能最大化。对曲轴线机械手与设备上、下料之间的逻辑时间进行研究和分析，并根据实际生产状况分析曲轴线上的机械手在机床设备之间上下料和清空Buffer之间的逻辑关系，可找出能满足实际生产的最优生产节拍，避免机械手不必要的等待时间。

1.4今后我国机械手市场发展趋势

械手的发展趋势机械手的发展趋势机械手的发展趋势机械手的发展趋势。目

前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

二、机械手设计过程 3.1设计理论

蜘蛛仿形机械手执行机构由连杆、齿轮箱、执行件、支柱、液压缸组成。执行件可以安装手用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。连杆用来连接支撑齿轮箱，也可以根据需要做成移动。通过液压缸的伸缩来实现工作部分的快速移动。执行件可以跟换成不同的工具如机械手、冲孔头等。

3.2分工设计

3.2.1、连杆的设计

通过proe的拉伸工具、切除和打孔特征完成如下图

(草绘图)

3.2.2、齿轮箱

通过proe软件的造型工具做好后然后将一些螺钉、齿轮箱盖等零件装配起

来。

3.2.3、执行件

执行件可以根据生产的要求设计不同的工作部分(如:冲孔头、铁钩等)，本设计以冲孔头为例。

3.2.4、支柱

支柱用来连接工作执行件和齿轮箱，为了美观和达到设计传动、支撑的要求我们设计了六根。

3.2.5、液压缸

为了达到我们设备的工作行程和快速移动的要求设计了如图的液压缸驱动。

(液压缸总成)

3.3总装

3.3.1、齿轮箱装配

3.3.2连杆与传动件的装配

3.3.3执行件与主体的装配

3.3.4连杆的装配

四、零件加工

4.1零件的分析

(加工零件图)

该零件图是400mmX200mmX10mm的长方体，板上的孔为直径25mm深5mm。为了达到工业要求选择数控铣床进行加工。首先，对整个板材进行平面粗铣留出0.5mm的加工余量给后面的精加工。然后，用直径20mm铣刀进行粗加工把板上的孔铣出来。最后，对板材进行精加工把粗加工的余量加工完并对板上的孔进行精铣。

4.2数控编程

数控编程采用CAXA进行自动加工下面是自动生成的程序:

%0001

N10 T1 M6

N12 G90 G54 G0 X98.7 Y-198.7 S3000 M03 N14 G43 H0 Z100. M07

.................

N388 Y198.7

N390 X-96.3

N392 Y-198.7

N394 Z20.2 F2000

N396 G0 Z100.

N398 M09

N400 M05

N402 M30

4.3工艺卡片

模型、毛坯、机床

项目 结果 备注 零件名称 零件编号

零件图图号

生成日期 2011.11.6

设计人员 -

工艺人员 -

校核人员 -

机床名称

全局刀具起

0.000 始点X

全局刀具起

0.000 始点Y

全局刀具起

100.000 始点Z

全局刀具起

(100.000,0.000,100.000) 始点

模型示意图

模型框最大 (100.000,200.000,10.000)

模型框最小 (-100.000,-200.000,0.000) 模型框长度 200.000 模型框宽度 400.000 模型框高度 10.000 模型框基准

-100.000

点X

模型框基准

-200.000

点Y

模型框基准

0.000

点Z

模型注释 - 毛坯示意图

毛坯框最大 (105.000.205.000,14.000) 毛坯框最小 (-105.000.-205.000,-4.000) 毛坯框长度 210.000 毛坯框宽度 410.000 毛坯框高度 18.000 毛坯框基准-105.000

点X

毛坯框基准

-205.000 点Y

毛坯框基准

-4.000 点Z

毛坯注释 -

毛坯类型 矩 形

4.4功能参数

项目 结果 备注

加工策略顺序号 1

加工策略名称 平面区域粗加工

标签文本

加工策略说明

角度 : 90.000

拐角过渡方式:尖角

拔模基准:底层为基准

加工策略参数

顶层高度:13.000

底层高度:10.200

每层下降高度:0.500

行距:15.000

轮廓余量:0.300

轮廓斜度:0.000

轮廓补偿: TO

岛余量:0.000

岛斜度:0.000

岛补偿: ON

标识钻孔点:否

轮廓清根:否

岛清根:否

XY向切入类型

-

(行距/残留)

XY向行距 - XY向残留高度 - Z向切入类型(层

-

高/残留)

Z向层高 - Z向残留高度 - 主轴转速 3000.000 慢速下刀速度 1000.000 切入切出连接速

1200.000

度

切削速度 1000.000 退刀速度 2000.000

安全高度 100.000 安全高度模式 绝对 加工余量 - 加工精度 加工精度:0.100 起始点 (0.000,0.000,100.000) 加工坐标系 .sys. 项目 结果 备注 加工策略顺序号 2 加工策略名称 等高线粗加工 标签文本 加工策略说明 加工策略参数 - XY向切入类型

-

(行距/残留)

XY向行距 - XY向残留高度 - Z向切入类型(层

-

高/残留)

Z向层高 - Z向残留高度 - 主轴转速 3500.000 慢速下刀速度 1000.000

切入切出连接速

1200.000

度

切削速度 1000.000 退刀速度 2000.000 安全高度 100.000 安全高度模式 绝对 加工余量 - 加工精度 - 起始点 (0.000,0.000,100.000) 加工坐标系 .sys. 项目 结果 备注 加工策略顺序号 3 加工策略名称 平面区域粗加工 标签文本 加工策略说明

角度 : 90.000

拐角过渡方式:尖角

拔模基准:底层为基准

顶层高度:10.500

加工策略参数

底层高度:10.000

每层下降高度:0.500

行距:15.000

轮廓余量:0.000

轮廓斜度:0.000

轮廓补偿: TO

岛余量:0.000

岛斜度:0.000

岛补偿: ON

标识钻孔点:否

轮廓清根:否

岛清根:否

XY向切入类型

-

(行距/残留)

XY向行距 - XY向残留高度 - Z向切入类型(层

-

高/残留)

Z向层高 - Z向残留高度 - 主轴转速 3000.000 慢速下刀速度 1000.000 切入切出连接速

1200.000

度

切削速度 1000.000 退刀速度 2000.000 安全高度 100.000 安全高度模式 绝对

加工余量 - 加工精度 加工精度:0.100 起始点 (0.000,0.000,100.000) 加工坐标系 .sys. 项目 结果 备注 加工策略顺序号 4 加工策略名称 等高线精加工 标签文本 加工策略说明 加工策略参数 - XY向切入类型

-

(行距/残留)

XY向行距 - XY向残留高度 - Z向切入类型(层

-

高/残留)

Z向层高 - Z向残留高度 - 主轴转速 3000.000 慢速下刀速度 1000.000 切入切出连接速

1200.000

度

切削速度 2000.000 退刀速度 2000.000 安全高度 100.000 安全高度模式 绝对 加工余量 - 加工精度 - 起始点 (0.000,0.000,100.000) 加工坐标系 .sys. 1、刀具

项目 结果 备注 刀具顺序号 1 刀具名 - 刀具类型 - 刀具号 1 刀具补偿号 1 刀具直径 20.000 刀角半径 0.000 刀尖角度 - 刀刃长度 50.000 刀柄长度 -

刀柄直径 - 刀具全长 80.000 刀具示意图

项目 结果 备注 刀具顺序号 2 刀具名 - 刀具类型 - 刀具号 2 刀具补偿号 2 刀具直径 16.000 刀角半径 0.000 刀尖角度 - 刀刃长度 50.000 刀柄长度 - 刀柄直径 - 刀具全长 80.000

刀具示意图

项目 结果 备注 刀具顺序号 3 刀具名 - 刀具类型 - 刀具号 3 刀具补偿号 3 刀具直径 20.000 刀角半径 0.000 刀尖角度 - 刀刃长度 50.000 刀柄长度 - 刀柄直径 - 刀具全长 80.000

刀具示意图

项目 结果 备注 刀具顺序号 4 刀具名 - 刀具类型 - 刀具号 4 刀具补偿号 4 刀具直径 16.000 刀角半径 0.000 刀尖角度 - 刀刃长度 50.000 刀柄长度 - 刀柄直径 - 刀具全长 80.000

刀具示意图

4(5刀具轨迹

项目 结果 备注 轨迹顺序编号 1 轨迹名称 平面区域粗加工

轨迹示意图

轨迹总加工时间(分) 35.281 轨迹总加工长度

36591.200 (mm)

轨迹切削时间(分) 34.694 轨迹切削距离(mm) 34828.900 轨迹快速移动时间

0.587 (分)

轨迹快速移动长度

1762.300 (mm)

项目 结果 备注 轨迹顺序编号 2 轨迹名称 等高线粗加工 轨迹示意图

轨迹总加工时间(分) 27.594 轨迹总加工长度46044.921

(mm)

轨迹切削时间(分) 24.121

轨迹切削距离(mm) 35625.560

轨迹快速移动时间

3.473 (分)

轨迹快速移动长度

10419.361 (mm)

项目 结果 备注

轨迹顺序编号 3

轨迹名称 平面区域粗加工

轨迹示意图

轨迹总加工时间(分) 5.318

轨迹总加工长度

5430.000 (mm)

轨迹切削时间(分) 5.318

轨迹切削距离(mm) 5430.000

轨迹快速移动时间

0.000 (分)

轨迹快速移动长度

0.000 (mm)

项目 结果 备注

轨迹顺序编号 4

轨迹名称 等高线精加工

轨迹示意图

轨迹总加工时间(分) 9.210

轨迹总加工长度

19515.576 (mm)

轨迹切削时间(分) 8.925

轨迹切削距离(mm) 18658.405

轨迹快速移动时间

0.286 (分)

轨迹快速移动长度

857.171 (mm)

4.6 NC数据

项目 结果 备注

NC顺序编号 - 日期 2011.11.6 NC图片

NC总时间(分) 77.404 NC总长度(mm) 107581.697 NC切削时间(分) 73.058 NC切削长度(mm) 94542.865 NC快速移动时间(分) 4.346 NC快速移动长度(mm) 13038.831 X最大 108.506 Y最大 208.512 Z最大 100.000 X最小 -113.296 Y最小 -208.514 Z最小 -0.000 绝对/相对 绝对

总 结

经过两个多月的设计，使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进的生产和制造技术了解机械手设计的一般过程。通过对机械手的结构设计作了系统的分析，掌握了一定的机械设计方面的知识为以后工作学习奠定了基础。仿形机械手PLC控制系统的程序，已成功地通过了模拟手动、单步、单周期、连续等运行的调试，证明本设计的硬件、软件部分基本都能达到预期要求，能可靠地控制仿形机械手动作，达到仿形机械手能够多用途的技术性能。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这过程中，我对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻的的认识，对仿形机械手的工作原理有了进一步的掌握，对控制系统的分析与设计有了切身的认识和体会，并在学习和实践过程中增长了知识，丰富了经验。系统的开发设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程。在设计过程中，要边学习，边实践，遇到新的问题就不断探索和努力，即可使问题得到解决。同时，我们还将平时所学的知识与实际相结合在一起，这样不仅让我们认识到理论知识的重要性而且号通过设计的过程认识到团队协作的重要。虽然之前收集了大量的资料但在实际应用中却有很大差异，出现了许多意想不到的问题。但经过长时间的摸索和收集相关的资料进行分析最终还是设计出达到要求的系统。由于时间紧迫，有些设计工作还有待完善，在以的工作中我会继续努力,不断提高自己的技术水平，以适应未来的激烈竞争形势。

通过我们收集的资料来看国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法:一种是检测把握物体

手臂的变形，以选择适当的握力，另一种是直接检测指部与物件的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能:

1)能准确的抓住方位变化的物体。

2)能判断对象的重量。

3)能自动避开障碍物。

4)抓空或抓力不足时能检测出来。

5)能跟换不同的手抓。

6)能承担其他的工作(如:打孔)。

这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。

参考文献

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、严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992 5

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11、徐永生.液压传动.北京:机械工业出版社，1990, 5

范文二：工业机械手设计

1 绪论

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。

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，工业机械手的工业机器人的一个重要分支，它的特点是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。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动化生产线中，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复和劳动，不知疲劳，不惧危险，抓举重物的力量比人手大的特点，因此机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。

机器人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备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

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，是一门跨多种学科的综合技术。

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。

1.1 工业机械手的分类

目前，我国对工业机械手尚无交统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。

1.1.1 按规格（所搬运的工件重量）分类

1）微型的——搬运重量在1kg以下。

2）小型的——搬运重量在10kg以下。

3）中型的——搬运重量在50kg以下。

4）大型的——搬运重量在500kg以下。

目前大多数工业机械手能搬运的重量为1-30kg。最小的为0.5kg，最大的已达800kg。

1.1.2 按功能分类

1） 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程序控制器（PC）组成控制系统。

这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。

2） 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手有人工通过示教装置领动一遍，有记忆元件（如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。

这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者相比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较强。

3） 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制（DNC）。计算机可以是可编程序控制器或微型

计算机。

4） 智能工业机械手 有计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。

1.1.3 按用途分类

1）专用机械手 附属于主机的，具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，实用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。

2）通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。

1.2 工业机械手的组成

工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图（1.1）所示，机械手的组成示意图如图（1.2）所示。 控制系统驱动系统执行机构工件

位置检测装置

图1.1 工业机械手组成框图

图1.2 工业机械手组成示意图

1—手指 2—手部 3—手腕回转液压缸 4—导向杆 5—手臂伸缩液压缸

6—手臂回转液压缸 7—手臂升降液压缸 8—液压系统控制阀

9—液压泵电动机 10—液压泵 11—油箱

1.2.1 执行机构

执行机构由抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。

（1）手部 详见第三章，即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式或内抓式两种；也可用负压或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2）腕部 详见第四章，是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态）。

（3）臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指

去抓取物体，并按预定要求将其搬运到给定的位置。

手臂有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。

直角坐标占空间大，工作范围小，惯性小，所以一般不多用，只有在自由度数较少时用之。

圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。

球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围较大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构较复杂，所以也不多用。

目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。

（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构。

1.2.2驱动机构

有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位控制时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。

1.2.3控制系统

有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.2.4基体（机身）

基体是整个机械手的基础。

1.3 工业机械手在生产中的作用

范文三：搬运机械手设计

随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中发挥着越来越重要的作用,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快了实现工业生产机械化和自动化

的速度,本毕业设计主要叙述了机械手的设计计算过程 。

首先，本文介绍机械手的发展历程及重要意义，机械手的组成和分类，说明了自由度和

机械手整体坐标的形式。同时，本设计也给出了这台搬运机械手的主要性能、规格和参量。

文章中介绍了搬运机械手的设计方法。全面的描述了搬运机械手的手部、腕部、手臂以

及机身等主要部件的结构设计。

通过此次机械手的设计,掌握了搬运机械手设计的主要步骤,对于cad软件,力学的应用,电路的设计,等有了很大的提高。

关键词：搬运机械手、液压传动、手部、手腕、机身、结构

1

前 言 ................................................................. 4

一 、绪 论 ............................................................ 5

1.1机械手的简史 ................................................... 5

1.2机械手的主要特点 ............................................... 6

1.3对机械手的一般需求 ............................................. 6

1.4机械手在生产中的应用 ........................................... 6

1.5机械手的组成 ................................................... 7 1.5.1执行机构 ......................................................... 7 1.5.2驱动机构 ......................................................... 7 1.5.3控制系统分类 ..................................................... 7

1.6机械手的发展趋势 ............................................... 7 二、 搬运机械手的总体设计方案 ......................................... 9

2.1 机械手基本形式的选择 ........................................... 9

2.2 机械手的主要部件及运动 ......................................... 9

2.3 驱动机构的选择 ................................................ 9

2.4机械手的技术参数列表 ........................................... 9

三 、机械手手部的设计计算 ............................................ 10

3.1 手部设计基本要求 .............................................. 10

3.2 典型的手部结构 ................................................ 10

3.3 机械手手抓的设计计算 .......................................... 10 3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置 ....................................... 10

3.3.2 手抓的力学分析 ................................................. 10

3.3.3加紧力及驱动力的计算 ............................................ 12

3.3.4 手抓夹持范围计算 ............................................... 13

3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .................................. 13

3.5弹簧的设计计算 ................................................ 14

四 、腕部的设计计算 .................................................. 17

2

4.1 腕部设计的基本要求 ............................................ 17

4.2 腕部的结构以及选择 ........................................... 17 4.2.1 典型的腕部结构 ................................................. 17

4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ....................................... 17

4.3 腕部的设计计算 ................................................ 17 4.3.1 腕部设计考虑的参数 ............................................. 17 4.3.2 腕部的驱动力矩计算 ............................................. 17

4.3.3 腕部驱动力的计算 ............................................... 18

4.3.4 液压缸盖螺钉的计算 ............................................. 19

4.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉 ....................................... 20

五 、臂部的设计及有关计算 ............................................ 22

5.1臂部设计的基本要求 ............................................ 22

5.2 手臂的典型机构以及结构的选择.................................. 22

5.2.1 手臂的典型运动机构 ............................................. 22

5.2.2 手臂运动机构的选择 ............................................. 23

5.3 手臂直线运动的驱动力计算 ...................................... 23 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ......................................... 23

5.3.2 手臂惯性力的计算 ............................................... 24 5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ............................................. 25

5.4 液压缸工作压力和结构的确定 .................................... 25 六、 机身的设计计算 .................................................. 27

6.1 机身的整体设计 ................................................ 27

6.2 机身回转机构的设计计算 ........................................ 28

6.3 机身升降机构的计算 ............................................ 31 6.3.1 手臂偏重力矩的计算 ............................................. 31 6.3.2 升降不自锁条件分析计算 ......................................... 32 6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 .............................. 33

6.4 轴承的选择方案 ................................................ 33 总结与致谢 ........................................................... 38

3

参 考 文 献 .......................................................... 39

机械手是用于再现人手的功能的技术装置，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。而在工业中主要应用于对物体的搬运

为主要功能的机械手被称为搬运机械手。

机械手是近代自动控制领域中出现的一项高新技术，并且已经成为现代机械制造生产系

统中的一个重要组成部分，这种新技术发展非常的快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手

工程。机械手涉及到了力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机

技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。机械手也是机器人的一个非常

重要的分支。它的优点是可以通过编程来完成各种预期的任务，在构造和性能上有了人和机

器人的各自优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的

能力，在服务中国现代经济有着广泛而不可代替的作用。

随着机械手的发展和不断改进，它的积极作用主要体现在；第一、它能部分的代替人工

操作；第二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和

装卸；第三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，提

高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到了很多国家的重视，

投入大量的人力和财力来研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污

染的场合，应用更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并取得了很大的成绩，深受机械

工业的重视和欢迎。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物

体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，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。

4

1.1机械手的发展简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产

品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他

的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在此基础之上又制成一台数控示教再现型机械手。商名为

万能自动。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装

置。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫VersaTran机械手，原意是灵活搬运。该

机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教

再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于?1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指

一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到?0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下

料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手

后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单

位多达50多个。1976年大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽

车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，

甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设

备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

5

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧

美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 1.2 机械手的主要特点

1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类有害的

场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手

就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等

危险环境中胜任工作。

2) 机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人

的功能。

3）由于机械手的动作准确，因此可以把稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的

操作错误。

4）机械手通用性，灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产需

求。

5) 采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。

1.3对机械手的一般需求

机械工业中应用机械手的主要目的，一是解决生产过程自动化，二是改善劳动条件，降

低劳动强度，提高劳动生产率和降低成本。因此要求机械手成本低，品种多样化，零件、元

件系列化、通用化、标准化、性能化、性能稳定可靠。

一、降低机械手的成本

为扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。

二、品种多样化

为了适应不同工作的需要，应使机械手的品种多样化，用机械手在更多的情况下代替

手工劳动，进而实现生产过程的自动化，提高劳动效率，特别是那些工作比较单一、重复而

且工作环境恶劣的工况下，更应该注意设计和使用机械手。

三、零部件系列化、通用化、标准化

为了加速扩大机械手的应用领域，应缩短设计和制造时间，从而要求零部件的系列化、

通用化、标准化，使得部分件之间具有通用和互换性，并且这些零部件能够快速地进行组合

成所需机器人。

四、要求产品性能稳定可靠

机械手的一个重要指标之一，就是其性能稳定可靠，因而就要设计合理，制造精确，

原件稳定。

1.4 机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如

搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越

高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工

作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的

全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零

件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常

用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机

6

械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类

工作的搬运机械手为研究对象。

1.5 机械手的组成

搬运机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 1.5.1 执行机构

（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构

简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或

真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、

丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手

的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上

下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动

作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运

工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但

回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在

要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工

作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），

则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手

臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部

的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，

受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的

工作性能。

（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

1.5.2 驱动机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

1.5.3 控制机构

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，

也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。

主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.6机械手的发展趋势

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机

7

价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系

统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，

装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、

触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系

统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器

人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人

的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出

实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最

著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已

成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代

“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己

基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规

划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;

其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其

工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业

机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，

当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量

小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切

需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，

积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还

开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机

器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础

上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立

于世界先进行列之中。

8

2.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为4种:(1)直角坐标型

机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型图。

2.2 机械手的主要部件及运动

在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，

本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升

降5个主要运动。

本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通

0过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转180（3）臂部，

采用直线缸来实现手臂平动1.2m。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降

和回转。

2.3 驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。 2.4 机械手的技术参数列表

一、用途：搬运 - 用于车间搬运

二、设计技术参数:

1、抓重:60Kg (夹持式手部)

2、自由度数:5个自由度

3、坐标型式:圆柱坐标

4、最大工作半径: 1600mm

5、手臂最大中心高:1248mm

6、手臂运动参数

伸缩行程：1200mm

伸缩速度：83mm/s

升降行程：300mm

升降速度：67mm/s

回转范围: 0?-- 180?

7、手腕运动参数

回转范围: 0?-- 180?

9

3.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需

的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支

,点所转过的角度）,，以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧

凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

（4） 应保证手抓的夹持精度。

3.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。

（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。

（3）平面平移型。

3.3 机械手手抓的设计计算

3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置

本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角

0,,60=，夹取重量为60Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且

工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,

驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此

不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选

择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从

而机械手手指张开。

3.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

10

αα

αα

α

α

(a) (b)

图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指 2——销轴 3——杠杆 在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对

ooooF销轴的反作用力为Fo121和F其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和12，

F2的延长线于A及B。

F,x由=0 得 FF,12

F,y =0 得

F F,12cos,

' FF,,11

MF，，',01由=0 得h FF,1N

a h,cos,

b2 F=cos,F （3.1） Na

式中 a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. , ——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

FN,,F由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉

11

003040,杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。

3.3.3 夹紧力及驱动力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析

计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的

载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算： （3.2） FKKKG,N123

K1式中 ——安全系数，通常1.22.0；

bk2 K,，1——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，2a

vmax重力方向的最大上升加速度； a,t响

vmax ——运载时工件最大上升速度

t响 ——系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s

K3 ——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。

G——被抓取工件所受重力（N）。

表3-1 液压缸的工作压力

作用在活塞上外力F液压缸工作压力Mpa 作用在活塞上外力F液压缸工作压力Mpa （N） （N）

小于5000 0.8120000300002.04.0 5000100001.52.030000500004.05.0

50000以上 10000200002.53.05.08.0

00FN1040,计算：设a=100mm,b=50mm,<>

F驱动力和 驱动液压缸的尺寸。

(1) 设 K,1.51

0.1b0.5 K,，1 ==1.02 1，2a9.8

K,0.53

根据公式，将已知条件带入：

1.020.5588449.8，，,NN ？， =1.5 FN

（2）根据驱动力公式得：

12

22100，0 =1378N F,，cos30449.8，，计算50

,,0.85 （3）取

F1378计算,,,FN1621实际,0.85

（4）确定液压缸的直径D

,22 FDdp,,，，实际4

选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa,

4F41621，实际0.587,,520.8100.75，，，p10.5,,,，， ？

根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm

则活塞杆内径为:

D=63，0.5=31.5mm，选取d=32mm

3.3.4 手抓夹持范围计算

060为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，,40R10R260当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下：

00 Rtg,，，,1003040cos30902

？机械手的夹持半径从 4090mm

3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算

机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有

12,,足够的抓取能力。

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂 部和腕部等动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小 批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。

13

θ

β

图3.3 手抓夹持误差分析示意图

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为80mm180mm。 一般夹持误差不超过1mm,分析如下：

9040，工件的平均半径：,65mm R,cp2

02120,,lmm,100手指长,取V型夹角

,偏转角按最佳偏转角确定：

R60,,110CP ,,,,coscos460lsin100sin60,，

00计算 ,60.15 Rl,,，sincos100,,sin60cos460

R,,RR0MAXMIN当S时带入有：

22RRRR,,,,222maxminMAXMAX 2cos2cos0.678,,,,，,,,，,,llll,,,,2sinsinsinsin,,,,,,,,

夹持误差满足设计要求。

3.5 弹簧的设计计算

13,,过程 选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图3.4所示，计算如下。

14

图3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数 (1).选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力 ,,800MPa,,

(2).选择旋绕比C=8，则

410.615C, （3.3） K,，446C,

481，,，，0.615410.615C,,，,1.183 K,，4846，,，，446C,

D42dmm,,,5.25(3).根据安装空间选择弹簧中径D=42mm，估算弹簧丝直径C8

FKC'MAX(4).试算弹簧丝直径 （3.4） d,1.6,,,

16211.1838，，FKC'MAX,,1.67mm d,1.6680010，,,,

(5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：

Gd n （3.5） ,,MAX3FC8MAX

680000100.007，，Gd,,2.86n ,,3MAX3FC816218，，8MAX

n,3选择标准为，弹簧的总圈数圈 nn,，,，,1.531.54.51

DDdmm,,,,,427351Dmm,42dmm,7(6).最后确定，，，

15

DDdmm,，,，,427522 (7).对于压缩弹簧稳定性的验算

对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为

H740了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，根据下列b,,,1.76D12

选取：

b,5.3b,3.7 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，b,2.6。

b,,1.762.6结论本设计弹簧，因此弹簧稳定性合适。 (8).疲劳强度和应力强度的验算。

对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强

3度进行验算（如果变载荷的作用次数N,10，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力

强度验算）。

现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：

,SSS,,SSca,max （3.6）

8KDSs选取1.31.7（力学性精确能高） （3.7） ,,Fmax3,d

81.1840.042，，8KD,，,1621598756479 ,,Fmax333.140.007，,d

6,80010，pasS,,,1.3361Sca,598756479pamax

结论：经过校核，弹簧适应。

16

4.1 腕部设计的基本要求

（1） 力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、

重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力

求结构紧凑，重量轻。

（2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有

足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。

（3） 必须考虑工作条件

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，

没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

4.2 腕部的结构以及选择

4.2.1 典型的腕部结构

(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，

总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允

0270许回转的角度来决定（一般小于）。 0270(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的

腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。

(4) 机-液结合的腕部结构。

4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

0180本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自

由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

4.3 腕部的设计计算

4.3.1 腕部设计考虑的参数

17

0180夹取工件重量60Kg，回转

4.3.2 腕部的驱动力矩计算

M惯（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩。

M摩（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩。

0180夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14

23GKgmNKgN,，，，，,,0.060.2278009.8190 （2） 擦力矩。 Mm,0.1摩

,20,,2.616s（3） 启动过程所转过的角度18=0.314rad，等速转动角速度。 ,,启

2,,，MJJ，，惯工件,2启 （4.1） 查取转动惯量公式有：

11190N2222 JMRNmsNms,,，,,,,,0.060.0342229.8NKg

11609.8G，22222 JlRNms,，,，，,,,3130.055.0125，，，，工件12129.8g

22.616代入： MNm,，,,0.03425.012555，，惯20.314，

MMMMM,，,，0.1惯摩惯

55MNm,,,61.110.9

4.3.3 腕部驱动力的计算

表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）

20 25 32 40 50 55 63 65

70 75 80 85 90 95 100 105

110 125 130 140 160 180 200 250

设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力

18

2261.11M，，选择8Mpa PMpa,,,7.352222bRr,，,0.0660.0550.0225，，，，

动片

静片

图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意

表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 ,160MpaP

45钢50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 PMpa,200

4.3.4 液压缸盖螺钉的计算

图4.2 缸盖螺钉间距示意

表4.3 螺钉间距t与压力P之间的关系

工作压力P（Mpa） 螺钉的间距t(mm)

小于150 0.51.5

小于120 1.52.5

小于100 2.55.0

小于80 5.010.0

19

缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，

在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力

' （4.2） FFF,，QQQ0s

计算：

液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择8个螺钉，

,D3.140.11，,,,43.178088，所以选择螺钉数目合适Z=8个

220.110.045,222危险截面 SRrm,,,,,,,0.0079088754

PS (4.3) 所以，F,QZ

PS ,7908.875NF,QZ

FKF,QQK,1.51.8S

FKFN,,，,1.57908.811863.3QQS

'所以 =11863.3+10545=19772N FFF,，QQQ0s

,240sn,1.22.5螺钉材料选择Q235，（） 则,,,,160MPa,,n1.5

41.3，FQ0螺钉的直径 d, （4.4） ,,,,

41.3，F41.319772，，Q0,,0.0159md, 63.1416010，，,,,,

螺钉的直径选择d=16mm.

4.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉

（1） 动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位

销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。

bpd22DdMFZf,,,，，Q摩82

bp22FDd,,，，Q4Zfd于是得 (4.5)

D——动片的外径；

f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为

20

1.3FQ,,,,,合2d,1

4 (4.6)

4FQd,1,,,,或 (4.7) 带入有关数据，得

6bp0.066810，，2222FDdN,,,,,0.110.04524627 ，，，，QZfdZ440.150.032，，，

,240sn,1.22.5螺钉材料选择Q235，则（） ,200MPa,,,,,n1.2

41.3，F41.324627，，Q0螺钉的直径 dm,,,0.0126,,3.1420010，，,,

螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的开槽盘头螺钉。

21

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），

并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则

用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，

从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自

身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

5.1 臂部设计的基本要求

一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。

（4） 注意简化结构。

（5） 提高配合精度。

二、 臂部运动速度要高，惯性要小

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速

度运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mms,最大回转角速度设计在00180s90s1000mms内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转

角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂

部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径： （1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。

,（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽

可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （4） 驱动系统中设有缓冲装置。

三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，

其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏

心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、

性能良好的机械手。

5.2 手臂的典型机构以及结构的选择

22

5.2.1 手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。

（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，

如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线

运动的双层液压缸空心结构。 （3） 双活塞杆液压岗结构。

（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。

5.2.2 手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用

液压缸。

5.3 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再

进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方

面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

FFFFF,，，，回摩密惯

5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体

情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗

23

两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

M,0,A

GLaF,b总

GL总F,ba得

Y,0,

GFF，,ba总

La，,,FG,,,a总a,,得

''FFFFF,，,，,,abab摩摩摩

2La，，，'？,FG (5.2) ,总摩,,a，，

G总式中 ——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一

节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

', ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：

24

4,,,',，,,,,1.271.57，，,,,2,, ,——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

,,0.10.15钢对青铜：取

,,0.180.3钢对铸铁：取

计算：

'GN,1070,,，,0.201.50.3总导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，，

L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

221.410.16L，，,,,,',FGN,,，，,10700.35978.6总,,,,摩a0.16,,,, 5.3.2 手臂惯性力的计算

5minm,,ts0.2本设计要求手臂平动是V=,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启

0.083mS,动速度V=V=,

Gv,总F, (5.3) 惯gt,

Gv,10700.083NS，总F, ,,45.5N惯gt,9.80.02NKgS，

5.3.3 密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。 FF,0.03封经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

FFFF,，，0.03=6210N摩惯

5.4 液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa

（1） 确定液压缸的结构尺寸：

液压缸内径的计算，如图5.2所示

25

图5.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

2D,FFp,,,,14

当油进入有杆腔中，

22,,Dd，，,,,,FFp24

液压缸的有效面积：

FS,p1

4FFD1.13,,pp,,,11故有 （无杆腔） (5.4)

4F2Dd,，p,,1 （有杆腔） (5.5)

6p210，pa1F=6210N，=，选择机械效率,0.95 ,

将有关数据代入：

46210FFDm1.131.130.06460,,,,,6pp0.95210,,，，11 根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm. （2） 液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为79mm. （3） 活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径

d的15倍以上，按拉、压强度计算：

26

F,,,,,,,2d4 (5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,,100120Mpa,,,

现在进行校核。

F62106619.81010010Mpa,,,,，,，,,22d，0.0244

结论： 活塞杆的强度足够。

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动

的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，

机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架

空轨道运动。

6.1 机身的整体设计

0按照设计要求，机械手要实现手臂180的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设

计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以

下几种：

（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转

27

运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。 （2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但

回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。

（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复

运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 分析：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，

机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸

的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降

缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导

向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定

了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构

见下图。

驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片

的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之

间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。

图6.1 回转缸置于升降缸之上的机身结构示意图

28

6.2 机身回转机构的设计计算

（1） 回转缸驱动力矩的计算

MM惯驱手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封

M阻装置处的摩擦阻力矩相平衡。

(6.1) MMMM,，，驱阻回惯

惯性力矩的计算

,, (6.2) MJJ,,,00惯,t

,,,,式中 ,——回转缸动片角速度变化量（），在起动过程中=； rads

,t——起动过程的时间(s);

J20——手臂回转部件（包括工件）对回转轴线的转动惯量（）。 Nms,,

,若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则

G2JJ,，,0cg (6.3)

Jc式中 ——回转零件的重心的转动惯量。

22JmlR,，312，，cz (6.4)

回转部件可以等效为一个长1800mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg.设置起动

0rads,,角度,=18，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。

222 JmlRNms,，,,,31243，，cz

G22 JJNms,，,,,,1495c0g

2,,0.314Nms,,4694.3 MJJ,,，,,=149500惯,t0.1

MM驱阻密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。

2M驱Nms,,经过以上的计算=4839.5

（2） 回转缸尺寸的初步确定

设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动

片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算：

29

8M2驱Dd,，bp (6.5)

D=151mm

既设计液压缸的内径为150mm,根据表4.2选择液压缸的基本外径尺寸180mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。

（3） 液压缸盖螺钉的计算

根据表4.3所示，因为回转缸的工作压力为8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,根据初步

L471'估算， ,,78.5t，,所以缸盖螺钉的数目为t,LDmm,,，,,3.14150471Z6（一个面6个，两个面是12个）。

220.150.05,222危险截面 SRrm,,,,,,,0.01574

PS所以， ,20933N F,QZ

FKF,QQK,1.51.8S

FKFN,，,=1.52093331400QQS

所以 F=20933+31400=52333NQ0

,240sn,1.22.5螺钉材料选择Q235，则（） ,200MPa,,,,,n1.2

41.3，F41.352333，，Q0螺钉的直径 dm,,,0.0206,,3.1420010，，,,

螺钉的直径选择d=20mm.选择M20的开槽盘头螺钉。

经过以上的计算，需要螺钉来连接，最终确定的液压缸的截面尺寸如图5.2所示，内径

为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm

30

连接螺栓

动片静片

液压缸盖连接螺钉

图6.2 回转缸的截面图 （4） 动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构如图6.2。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。

bpd22DdMFZf,,,，，Q摩82

bp22FDd,,，，Q4Zfd于是得

FQ式中——每个螺钉预紧力；

D——动片的外径；

f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为

1.3FQ,,,,,合2d,1

4

4FQd,1,,,,或

带入有关数据，得

6bp0.06810，，2222FDd,,，，0.150.0540000,,NQ，，4Zfd40.150.05，，，Z=

31

,240sn,1.22.5螺钉材料选择Q235，则（） 200MPa,,,,,,n1.2

41.3，F41.340000，，Q0螺钉的直径 dm,,,0.01356,,3.1420010，，,,

螺钉的直径选择d=14mm.选择M14的开槽盘头螺钉。 6.3 机身升降机构的计算

6.3.1 手臂偏重力矩的计算

图 6.3 手臂各部件重心位置图

GGGG臂工件爪腕（1） 零件重量、、、等。

G,60Kg工件

现在对机械手手臂做粗略估算：G总共=33Kg G和腕爪

GKg,16.2臂

GGGGG,臂工件爪腕总+++=109.2Kg

, (2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。

,工件=1920mm

,手和腕=1.69mm

32

,臂=0.88mm

,,,GGG，，手腕手腕工件工件臂臂 (6.6) ,,G总

,,,GGG，，手腕手腕工件工件臂臂 ,1650mm,,G总

所以，回转半径 1650mm,,

(3) 计算偏重力矩

(6.7) MG,,总偏

,，，,,109.29.81.6501765KgmNmMG,,总偏

6.3.2 升降不自锁条件分析计算

G总手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。

由力的平衡条件有

FFRR21=

FG,R总1h=

G,总

FFhRR即 21== 所谓的不自锁条件为：

FFFFf，,,22G121R总1

G,总

Gfh总即 2

hf2, f,0.16则取

h0.32, (6.8)

,,？ 当=1650mm时，0.32=528mm

因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于528mm 6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

FFFFFG,，，，,回惯摩密 (6.9)

33

F——式中摩擦阻力，参考图5.3 摩

取f=0.16 FFf,21摩

G——零件及工件所受的总重。

（1）的计算 F惯

Gv,总F,惯gt,

Gmmin总,,设定速度为V=4;起动或制动的时间差t=0.02s;近似估算为286.1Kg;

将数据带入上面公式有：

Gv,2860.067，ms总F,,958.1N惯gt,9.80.02，s=

F摩（2）的计算

FFf,2R摩1

G,2869.81.65KgNKgm，，总 FFN,,,,8725.6RR12hm0.53

，0.16？， 28725.6=2792.2N FFf,,2R摩1

FF,0.03密（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算

最后通过以上计算

当液压缸向上驱动时，F=6756N

当液压缸向下驱动时，F=6756-=6184N 2862，，，6.4 轴承的选择分析

对于升降缸的运动，对于机身回转用的轴承有影响，因此，这里要充分考虑这个问题。对于

本设计，采用一支点，双固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受

双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。其结构参看本章开始的——机身结构示意图5.3。

本设计采用两个角接触球轴承，面对面或者背对背的组合结构。这种结构可以承受双

向轴向载荷。

F 手指夹紧力 N N

34

mmD 弹簧中径

mmD 弹簧内径 1

mm 弹簧外径 D2

C 弹簧旋绕比

n 弹簧有效圈数

M 转动缸的回转力矩 Nm,

偏重力臂 mm ,

偏重力矩 MNm,偏

t 螺钉间距 mm

螺钉承受的拉力 N FQ0

工作载荷 N FQ

' 预紧力 N FQs

转动缸起动角 度 ,启

rad 转动缸转动角速度 ,s

35

通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，使我也了解了当前国内外在此

方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计

作了系统的分析，掌握了一定的机械设计方面的知识，为以后的工作学习奠定了基础。

本次毕业设计只是对机械手的手部、腕部、臂部以及机身做了系统的设计计算，设计中

没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中了解和掌握，

由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望老师见谅、指正！

36

经过了这一段时间，在指导老师的热心帮助下和我自己的努力下完成了这次论文。在

这过程中，我把作业所涉及到的课本都系统地复习了一遍，有的比以前学的更透彻，而且有

了整体概念。然而，通过这次作业也暴露出了我的许多不足之处，概念模糊、工作原理搞不

清、结构设计不合理、缺乏创新理念等等。这些不足在以后的工作中肯定起到很大的反作用，

阻碍工作进展，所以我会狠下功夫，改掉这些不足。

在学习和生活期间，我始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅，此向各

位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归

功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。

同时我在网上也搜集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。总之,通过这么长时间的合作我们的团体结合力得到了近一步的提高.在每个地方我门都要注意团结精神,跟同事

的和睦相处也是必不可少的。

37

[1] 陆祥生 杨秀莲.机械手——理论及应用.中国铁道出版社, 1985 [2] 《工业机械手图册》编写组.工业机械手图册.机械工业出版社,1978 [3] 濮良贵 纪名刚.机械设计.高等教育出版社,2001

[4] 早稻田大学教授加藤一郎.机械手图册.上海科学技术出版社,1979 [5] 温建民 曹立文等编.Pro/ENGINEER2003三维造型基础教程.机械工业出版社, 2004 [6] 零距离电脑培训学校丛书编委会.Pro/ENGINEER入门培训教程.机械工业出版社, 2004 [7] 董怀武 刘传慧.画法几何及机械制图.武汉理工大学出版社, 2002 [8] 祝凌云 李斌.Pro/ENGINEER运动防震和有限元分析.人民邮电出版社, 2004 [9] 高贵生 **南.AutoCAD2002绘图技术教程.中国电力出版社，2002 [10] 机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）1.机械工业出版社，2004 [11] 机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）3.机械工业出版社，2004 [12] 机械设计手册编委会.机械设计手册（新版）4.机械工业出版社，2004 [13] 姜继海 宋锦春 高常识.液压与欺压传动.高教出版社，2004 [14] 邹家祥.轧钢机械（第三版）.冶金工业出版社，2005

[15] 秦国庆 李连诗 韩静涛.车轮生产现状及发展趋势.河北冶金，1998 [16] 高西林.锻床上小料机械手.轻工机械,2001

[17] 佚名. 国内外机器人技术及技术发展趋势.www.robotain.com,2007

[18] 顾震宇.工业机器人现状与趋势. http://publishblog.blogdriver.com,2006

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范文四：PLC机械手控制设计

PLC 机械手控制设计 2.1可编程控制器的基本知识 PLC的种类繁多, 其规格和性 能也各不相同, 对 PLC 的分类, 通常根据其形式的不同、 功能的差异和 I/O点数 的多少等进行大致分类 . 根据 1、 PLC的结构形式可将 PLC 分为整体式和模块式 两类 (1)整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、 CPU 、 I/O接口等各件都集中装在 一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整 体式机构。 整体 PLC 由不同 PLC 点数的基本单元和扩展单元组成,基本单元内 有 CPU 、 I/O接口,与 I/O扩展单元相连的扩展口、以及编程器或 EPROM 写入器 相连的接口等。扩展单元内只有 I/O和电等,没有 CPU ,基本单元和扩展单元之 间一般用扁平电缆连接。 整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元, 如模拟量单元、 位置控制单元等,使其功能得以扩展 (2) 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分分别 作成若干个单独的模块,如 CPU 模块、 I/O模块、电源模块(有的含在 CPU 模块 中) 以及其他模块。 模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成, 模块装在框架或 基板的插座上。 这种模块式 PLC 的特点是配置灵活、 可根据需要选配不同规模的 系统, 而且装配方便, 便于扩展和维修。 大、 中型 PLC 一般采用这种模块式结构。 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式 PLC 。叠装式 PLC 其 CPU ,电源, I/O接口等也是各自独立的模块。但它们之间是非电缆进行 联接, 并且各模块可以应地叠装, 这样不但系统可以灵活配置, 还可以做的体积 小巧。 2、按功能分 根据 PLC 所具有的功能不同,可将 PLC 分为低,中,高档 次 (1)低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断监控等基本功 能还可以少量模拟量输入 /输出,算术运算,数据传送和比较等功能,主要用于 逻辑控制,顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 (2)中档 PLC 出具有 低档 PLC 的功能外,还具有模拟量输入 /输出,算术运算,数据传送和比较;数 据转换,远程 I/O,子程序,通信联网等功能,有些还可增设中断控制, PID 控 制等功能,适应于复杂控制系统。 (3)高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外,还 增加了符号算术运算, 矩阵运算, 位逻辑运算, 平方根运算及其他特殊功能函数 的运算, 制表及表格传递功能等。 高档 PLC 具有更强的通信联网功能, 可用于大 规模过程控制或构成分布式网络控制系统, 实现工厂自动化。 3、 按 I/O点数分 类 根据 PLC 的 I/O点数的多少,可将 PLC 分为小型,中型和大型三类 (1) . 型 PLC —— I/O点数 <256点,单 cpu="" ,="" 8位或="" 16微处理器,用户存储器容量="">

字以下 CE-I型 美国通用电气(GE )公司 TI100 美国德洲仪器公司 F、 F1、 F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本欧姆龙公司 SF200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司 SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司 (2) .中型—— 点数 256-2048点, 双 CPU , 用户存储器容量 2-8K S7-300 德国西门子 SR-400 中 外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5 SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立 石公司 CE-Ш GE公司 (3) . 大型 PLC —— I/O点数 >2048点,多 CPU , 16位、 32位处理器,用户存储器容量 8-16K S7-400 德国西门子公司 GE-IV GE公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司

第三章 可编程控制器的编程语言

3.1可编程控制器的几种编程语言 可编程控制器的编程语言按 IEC61131-3国际 标准来分主要包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括 :梯 形图 (LD-Ladder Diagram)、功能块图 (FBD-Function Block Diagram)、顺序功 能图 (SFC-Sequential Function Chart)。文本化编程语言包括 :指令表 (IL-Instruction List)和结构化文本 (ST-Structured Text)。这些语言是基于 WINDOWS 操作系统的编程语言 . 而 SFC 编程语言则在两类编程语言中均可使用。 下面分别来介绍这几种编程度语言。 3.1.1梯形图编程语言 (LD-Ladder Diagram) 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述, 是 PLC 编程中被最广泛使用的一种图 形化语言,由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图,便于理解 , 因此许多编 程人员和维护人员都选择了这一编程方式。 而且其图形结构类似于登高用的梯子, 故名梯形图。 梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线, 左侧的电力轨线名义 上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、 功能、 功能块、 线圈等提供能 量,功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态, 每一个线圈代表了一个实际设备的状态, 一个简单的梯形图程序如图 1所示 : 图 3.1 梯形图程序示例 梯形图的每个梯级表示一个因果关系 , 事件发生的条件表 示在梯形的左面 , 事件发生的结果表示在梯级的右面。 梯形图编程语言具有如下 特点 : (1) 与电气操作原理图相对应,具有直观性和对应性 ; (2) 与原有继电器 逻辑控制技术相一致,易于掌握和学习 ; (3) 对于复杂控制系统描述 , 仍不够清 晰 ; (4) 可读性仍不够好。 几乎所有 PLC 厂商提供的 PLC 都支持梯形图编程语 言 , 而且都比较容易理解,只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的 S7

系列梯形图就没有右边的电力轨线。 有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常 被省略。 3.1.2 功能块图编程语言 (FBD-Function Block Diagram) 功能块图编 程语言采用功能模块表示所具有的功能, 不同的功能模块具有不同的功能。 功能 模块用矩形来表示, 每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端, 右侧有不少 于一个的输出端。 功能模块的类型名称通常写在块内, 其输入输出名称写在块内 的输入输出点对应的地方。 功能模块基本上分为两类 :基本功能模块和特殊功能 模块。基本功能模块如 AND , OR XOR等等 . 特殊功能模块如 ON 延时,脉冲输出, 计数器等等。 功能块编程语言具有以下特点 : (1) 以功能模块为单位 , 从控制功 能入手, 使控制方案的分析和理解变的容易 ; (2) 功能模块用图形化的方式描述 功能, 较直观易掌握, 方便组态, 易操作。 是有发展前途的一种编程语言 ; (3) 对 较复杂系统, 由于控制功能关系能够比较清晰的描述, 因此缩短了编程和调试时 间 ; (4) 因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间, 对功能块的执行需要一 定的执行时间, 因此, 这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较 广泛。 第四章 PLC控制机械手的系统设计 4.1各电器设备的控制方式及控制要 求 1、机械手的技能和特性 根据古典力学观点,物体在三维空间的静止位置是 由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。 因此, 抓握物体的位置和方向 (即关 节间的角度)能从理论上求得。据资料介绍,如果采用的机械手,其机能要接近 人的上肢, 则需要具有 27个自由度, 而每一个自由度至少要有一根 “人造肌肉” 。 这样就需要安装 27根重量轻、 小型和高输出力的 “人造肌肉” 。 就目前的技术状 况而言, 上述功能还很难办到。 而且把机械手的功能搞得那么复杂, 动作彼此严 重重叠也是完全不必要的。 退一步, 如果机械手要求具有完全通用的程度, 那么 它的整机、 本体、 手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动, 总共就要有 24个自由度。 这在实际上也是不必要的, 这样会使机械手结构复杂, 费用增多。 因此, 不应盲目模仿人手的动作, 增加过渡的自由度, 而应根据实际需要的动作, 设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。 所以一般专用的机械手 (不包 括握紧动作)通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。 本设计中设计的机械手,它共有五个自由度。即:手臂伸缩、手臂上下摆动、手 臂左右摆动、 手腕回转、 手指抓握。 2.躯干和传动系统 机械手的传动分为液压、 气压、电气和机械四种,本设计采用综合传动方式,即手臂采用电气传动,而手

爪则采用气压传动。 (1)、夹紧机构 机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪 抓取工件是要满足迅速、 灵活、 准确和可靠的要求。 设计制造夹紧机构——手爪 时, 首先要从机械手的坐标形式、 运行速度和加速度的情况来考虑。 其加紧力的 大小则根据夹持物体的重量、 惯性和冲击力的大小来计算。 同时考虑有足够的开 口尺寸, 以适应被抓物体的尺寸变化, 为扩大机械手的应用范围, 还需备有多种 抓取机构, 以根据需要来更换手爪。 为防止损坏被夹的物体, 夹紧力应限制一定 的范围内, 并镶有软质垫片、 弹性衬垫或自动定心结构。 为防止突然停电被抓物 体落下,还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动 作灵活和动作可靠。 夹紧机构形式多样,有机械式、吸盘式和电磁式等。有的 夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。 本设计采用机械式的夹紧 机构。 机械式夹紧机构是最基本的一种,应用广泛,种类繁多。如按手指运动 的方式和模仿人手的动作,可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为内撑式、 外撑式和自锁式;按手指数目可分为二指式、三指式、四指式;按动力来源可分 为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控 制电磁阀动作, 从而控制手爪的张闭。 手爪的回转则用一个直流电动机完成, 同 时通过两个限位磁头完成回转角度的限位, 一般可设置在 180度。 (2) 躯干 躯 干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转 的机构。 底盘采用一个直流电动机驱动, 底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转, 机 械手每旋转 3度发出一个脉冲, 由传感器检测并送入可编程控制器, 从而计算底 盘旋转的角度。同时,在底盘上装有限位磁头,最大旋转角度可达 270度。 手 臂是机械手的主要部分, 它是支撑手爪、 工件并使它们运动的机构。 本设计中手 臂由横轴和竖轴组成, 可完成伸缩、 升降的运动。 手臂采用步进电动机带动丝杠、 螺母来实现伸缩和升降运动。 由可编程控制器发出脉冲信号, 经步进电动机驱动 器驱动步进电动机旋转, 带动滚珠丝杠旋转, 完成手臂的运动。 改变发出脉冲的 个数, 可控制手臂的两个轴运动的距离。 同时在两轴的两端分别加限位开关限位。 采用丝杠、 螺母结构传动的特点是易于自锁, 位置精度较高, 传动效率较高。 4.2电器元件、设备的选择 1、 PLC 机型的选择 根据被控对象对 PLC 控制系统的功 能要求,可进行 PLC 型号的选定。 进行 PLC 选型时,基本原则是满足控制系统 的功能需要,同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统,当控制速

度要求不高时, 一般的 PLC 都可以满足要求, 如对小型泵的顺序控制、 单台机械 的自动控制等。 当控制速度要求较高、 输出有高速脉冲信号等情况时, 要考虑输 入 /输出点的形式,最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的w装置 等。 2、输入 /输出的点数: I/O点数可以衡量 PLC 规模的大小。准确统计被控 对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充, 在实际统计 I/O点数基础上,一般应加上 10%-20%的备用点数。多数小型 PLC 为整体式,具 有体积小、 价格便宜等优点, 适于工艺过程比较稳定, 控制要求比较简单的系统。 模块式结构的 PLC 采用主机模块与输入模块、 功能模式块组合使用的方法, 比整 体式方便灵活, 维修更换模块、 判断与处理故障快速方便, 适用于工艺变化较多、 控制要求复杂的系统。 此外,还应考虑用户储存器的容量、 PLC 的处理速度是 否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。 本设备控制的对象是 一个开关量控制的系统, 同时利用脉冲控制步进店动机的运转, 故应采用晶体管 形式的输出。 松下 FPO 系列小型 PLC 具有性价比高、 功能完善、 指令丰富等优点, 能满足本对象各项控制性能要求, 因此, 本系统采用松下 FPO 系列的 FPO —— C16T 作为基本模块, 能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。 由于输入输出点不 够,扩展一个 FPO —— E16RS 模块。 3、电源模块的选择:采用 Dm150系列开关 电源。其特点是输出功率大,体积小,重量轻,可靠性高,适应宽范围的输入电 压波动,具有完备的过电压、过电流保护功能。 主要参数:输入交流电压: 110~220V/50Hz、 60Hz 输出直流电压:24V/6.5A 最大功率:156W 工作环境: -10~40度 4、 步进电动机的选择:采用二相八拍混合式步进电动机, 主要特点:体积小, 具有较高的起动和运行频率, 有定位转矩等特点。 型号:42BYGH101。 快 接线插头中的红色表示 A 相,蓝色表示 B 相。 使用时如果发现步进电动机转向 不对时可以将 A 相或 B 相两根线对调。 (1) . 步进电动机驱动模块 采用中美合 资 SH 系列步进电动机驱动器, 主要由电源输入部分、 信号输入部分、 输出部分 等。如下图所示。 驱动模块 电源输入部分由电源模块提供,用两根导线连接, 注意极性。 信号输入部分:信号源由 FPO 主机提供。 由于 FPO 提供的电平为 24V , 而输入部分的电平为 5V ,中间加了保护电路。 输出部分:与步进电动机连接, 注意相序。 (2) . 传感器 采用接近开关作为手爪旋转和底盘旋转限位检测用 ; 采用微动开关作为横轴、纵轴限位检测用。 接近开关:接近开关有三根连接线

(红、蓝、黑)红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号,当与 挡块接近时输出电平为低电平,否则为高电平。 微动开关:当挡块碰到微动开 关动作(常开点闭合) 。 (3) FPO模块 由松下 FPO 系列 PLC 晶体管输出的主 机,具有高速运算能力、 PID 调节功能,同时可以输出两路脉冲控制两台电动机 的优点。输出两路脉冲梯形图及 f/t。 (4) 直流电动机 采用 36ZY5-12型直 流电动机。输入电压为 12~24V,由 FPO 模块控制电动机正反转。 (5)旋转码盘 机械手每旋转 3度发出一个脉冲。 4.3 控制流程图 机械手工作流程图如下图所 示。把可编程序控制器主机上的 RUN-PROG 的开关拨在 RUN 上,如果机械手不在 初始位置上,步进电动机开始运转(横轴向手爪那边移动,竖轴向上移动) 。归 位后首先横轴步进电动机工作, 横轴前伸; 前伸到位后, 手抓电动机得电带动手 爪旋转;当传感器检测到限位磁头时,电动机停止, PLC 控制电磁阀动作,手张 开; 延时一段时间, 竖轴步进电动机工作, 竖轴下降; 下降到位后, 电磁阀复位, 手爪加紧;延时过后,竖轴上升,同时横轴缩回、底盘都到位后,横轴前伸;到 位后手爪旋转,然后竖轴下降,电磁阀动作,手张开;延时后竖轴上升复位;然 后开始下一周期动作。 图 4.1机械手控制流程图 4.4控制系统的软、硬件设计 1、控制系统硬件设计 PLC硬件设计是指 PLC 外部设备的设计。在硬件设计重要 进行输入设备的选择(如控制按钮、开关及计量保护装置的输入信号等) ,还有 执行元件的选择以及控制台、柜的设计等。硬件设计还包括 PLC 输入 /输出通道 的分配, 为便于程序设计和阅读, 常作出 I/O通道分配表, 表中包括有 I/O编号、 设备代号、名称及功能等。机械手控制系统电器原理图。 可编程序控制器采用 松下 FP 系列的 FPO —— C16T 作为基本模块, 由于输入输出点不够, 扩展一个 FPO —— E16RS 模块。 由于接近开关有三根线, 接线时注意把红色的线接电源的正极, 黑色线接电源的负极, 蓝色的线接 PLC 的输入端子。 2、 控制系统的软件设计 软 件设计主要是指编写工艺流程图, 即将整个流程分解为若干步, 确定每步的控制 要求及转换条件,配合定时、计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可 完成梯形图的设计。 I/O地址分配 I/O地址分配如表所示 I/O地址分配一览表 输入:输出: X0 横轴正限位 Y0 横轴脉冲 X1 竖轴正限位 Y1 竖轴脉冲 X2 横轴反限位 Y2 横轴方向 X3 竖轴反限位 Y3 竖轴方向 X4 旋转脉冲 Y20 手正转 X20 手正转限位 Y21 手反转 X21 手反转限位 Y22 底座正转 X22

底座正限位 Y23 底座反转 X23 底座反限位 Y24 电磁阀动作 (1).确定输入 输出接点的总数 输入接点:启动按钮 SB 、 行程开关 SQ1—— SQ4、 光电开关 SQ5, 一共 6个。 输出接点:YV1—— YV2总共 5个。 (2).估算 PC 内存总数 选取 PC 类型, PC 内存总数取决于程序指令总条数。 PC 内存总数又是选取 PC 类型的重要 依据, 为此依据下面的经验公式对指令总条数进行估算。 指令总条数 =(10—— 20) *(输入点数 +输出点数) 本例中指令总条数为(10—— 20) *(6+5) =110—— 220条。 (3).输入输出点分配 如下图是机械手输入和输出信号与 PC 输入 输出端子的分配图, 其中根据需要增加了机械手回到原位时的指示灯, 为了防止 误按启动按钮引起机械手的误动作, 增加了复位按钮, 启动时需要先按复位按钮 在按启动按钮,否则机械手不会动作。 图 4.2机械手 PC 输入 /输出端子的分配 (4).方案选择 考虑到机械手在工作时间时可能发生误动作行程开关而引起的不 安全动作,各个输入开关信号只能在规定的状态发生作用,例如, SQ1的闭合信 号只能当机械手位于原位而且按下 SB2后或从原位右移到右位后才能起作用, 其 他状态时 SQ1不起作用。 为了达到这一目的, 选择使用移位寄存器来完成顺序控 制。 3、 梯形图设计 机械手的控制属顺序控制,采用步进指令,根据说明机器 工作状态转换的图形,很容易进行程序设计。 (1) 根据机械手的工作方式情 况,选择“梯形图的总体设计 单步操作”方式时,应执行“单步操作”程序; 在选择“返回原位”方式时,应执行“返回原位”程序 ; “自动”方式时,应执 行“自动”程序,故梯形图的总体构成如下图所示。其中,自动程序要在启动按 钮按下时才执行。 图 4.3机械手 PLC 控制梯形图总体构成 (2) 各部分梯形图 的设计 通用部分梯形图设计 A状态器的初始化:初始状态器 S600在手动方式 下被置位、复位。当方式选择开关处于“返回复位” (X501接通)时,按下返回 复位按钮(X505)时被置位 ; 在“单步操作” (X500接通)时, S600复位。处于 中间工步的状态器用手动作复位操作, 即在方式选择开关位于 “单步操作” 或 “ 返 回复位”时,中间状态器同步复位,故初始状态梯形图如下图示(如果状态器要 在供电时从断电前条件开始继续工作,则不需要 M71)状态器初始化梯形图。 B状态器转换启动:若机械手工作在自动工作方式下,当初始状态器 S600被置位 后, 按下启动按钮, 辅助继电器 M575工作, 状态器的状态可以一步步向下传递, 即可以进行转换。在执行“连续操作”程序时,转换启动继电器 M575一直保持

到停机按钮按下为止。另一方面,采用 M100检查机器是否处于原位。当 M575和 M100都接通时, 从初始状态开始进行转换, 其梯形图如下图。 图 4.4状态器 转换启动梯形图 C状态器转换禁止梯形图:激活特殊辅助继电器 M574,并用步 进指令控制状态器转换时,状态器的自动转换就被禁止。 在“单周期”工作期 间,按下停止按钮时, M574应被激励并保持,操作停止在现行工步。当按下启 动按钮时,从现行工序重新开始工作, M574应复位,即重新允许转换。 在“步 进”工作方式时, M574应始终工作,此时,禁止任何状态转换。但每按下一次 启动按钮时, M574断开一次,允许状态器转换一步。 在“手动”工作方式(单 一操作,返回原位)情况下,禁止进行状态转换。在手动方式解除之后,按下启 动按钮,则状态转换禁止解除, M574复位。 PLC在启动时,用初始化脉冲 M71使 M574自保持,以次禁止状态转换,直到按下启动按钮。状态器转换禁止梯形 图如下。 图 4.5状态器转换禁止梯形图 通过对上图的分析可得出:在执行 “单 步操作” 和 “返回原位” 程序时, M575一直不能被接通, 而 M574长期被接通 (按 下启动按钮时除外) ; 执行 “步进” 程序时, 每按一次启动按钮, M574断开一次, M575接通一次,状态器转换一次;在执行“单周期操作”程序时,按下启动按 钮, M574断开, M575接通,状态器的状态可一步一步向下转换,直至按下停止 按钮时, M574自锁,状态器的状态转换被禁止,操作停止现行工序(再次按下 启动按钮时从现行工序开始工作) ;在执行“连续操作”程序时, M575一直接通 到按下停止按钮,此时 M574一直不能接通。 D单步操作梯形图 手动操作方式 由于不需要任何复杂的顺序控制, 可以用常规继电器顺序方法来设计梯形图。 “ 单 步操作”时,按下夹持按钮时,夹持输出 Y431自保持,只有按下松开按钮时, Y431才会复位;按下上升按钮,上升输出 Y432保持接通;按下下降按钮, Y430保持接通;在上限位按下左行按钮,左行输出 Y434保持接通;在上限位按下右 行按钮, 右行输出 Y433保持接通。 单步操作是梯形图如下图。 图 4.6机械手单 步操作梯形图 E返回原位梯形图 在“返回原位”状态下, “夹持”与“下降” 动作应被停止,上限位未动作时应进行“上升” ;上限位动作时, “右行”动作应 停止,并左行至左限位位置。返回原位梯形图如下图。 图 4.7机械手返回原位 梯形图 F “自动” 状态梯形图 如下图表示了机械手自动工作时执行各工步的情 况。 表明了各工步的实现以及各工步的转换条件。 在第一次下降工步中, 下降电

磁阀 Y430接通。自下限位置时, X401接通,转化为“夹持”过程。在夹持工步 中,夹持电磁阀 Y431置位,同时驱动 T450。 T450接通后,转化为第一次上升。 此后执行类似的操作, 完成由初始条件到下一个初始条件的一系列操作。 在夹持 输出 Y431置位后,保持夹持,直到夹持输出复位松开。如上述一步步按顺序驱 动各个负载动作, 称为顺序控制或过程步进型控制。 这种控制过程用继电器符号 程序很难实现程序设计。 图 4.8机械手自动工作流程图 用状态器替代自动工作 流程图中的各工步, 可得到如下图所示的功能表图。 初始状态在图中用双线框表 示。 图 4.9机械手自动工作功能表图 根据上图所示的功能表图, 可设计出自动 操作时的梯形图, 如下图所示。 图 4.10机械手自动工作梯形图 绘制机械手 PLC 将控制梯形图 将从初始化开始的一系列梯形图,按照总体构成图的形式作何在 一起, 得到机械手 PLC 控制的梯形图, 如下图所示。 图 4.11机械手 PLC 控制梯 形图 该机械手在自动工作状态时, 应先将其工作方式选择开关放在 “返回原位” , 并按下返回原位按钮, 对状态器进行置位, 然后再将工作方式选择开关放至自动 工作方式下。若自动工作状态解除,则应将工作方式选择开关放至“单步操作” 位置。 4.5 功能表图设计 1、步的划分 分析被控对象的工作过程及控制要求, 将系列的工作过程划分成若干阶段,这些阶段称为“步” 。步是根据 PLC 输出量 的状态划分的, 只要系统的输出量状态发生变化, 系统就从原来的步进入新的步。 如下图所示,某液压动力滑台的整个工作过程可划分为四步,即:0步 A 、 B 、 C 均不输出; 1步 A 、 B 输出; 2步 B 、 C 输出; 3步 C 输出。在每一步内 PLC 各输 出量状态均保持不变。 步也可根据被控对象工作状态的变化来划分,但被控对 象的状态变化应该是由 PLC 输出状态变化引起的。 如下图所示, 初始状态是停在 原位不动, 当得到起动信号后开始快进, 快进到加工位置转为工进, 到达终点加 工结束又转为快退,快退到原位停止,又回到初始状态。因此,液压滑台的整个 工作过程可以划分为停止(原位) 、快进、工进、快退四步。但这些状态的改变 都必须是由 PLC 输出量的变化引起的, 否则就不能这样划分。 例如:若从快进转 为工进与 PLC 输出无关, 那么快进、 工进只能算一步。 总之, 步的划分应以 PLC 输出量状态的变化来划分, 因为我们是为了设计 PLC 控制的程序, 所以 PLC 输出 状态没有变化时,就不存在程序的变化。 2、转换条件的确定 确定各相邻步之 间的转换条件是顺序控制设计法的重要步骤之一。 转换条件是使系统从当前步进

入下一步的条件。 常见的转换条件有按钮、 行程开关、 定时器和计数器触点的动 作(通 /断)等。 如上图“步的划分方法二”所示,滑台由停止(原位)转为快 进,其转换条件是按下起动按钮 SB1(即 SB1的动合触点接通) ;由快进转为工 进的转换条件是行程开关 SQ2动作; 由工进转为快进的转换条件是终点行程开关 SQ3动作;由快退转为停止(原位)的转换条件是原位行程开关 SQ1动作。转换 条件也可以是若干个信号的逻辑(与、或、非)组合。如:A1*A2、 B1+B2。 3、 功能表图的绘制 根据以上分析画出描述系统工作过程的功能表图,是顺序控制 设计中最为关键的一个步骤。 绘制功能表图的具体方法将在下面介绍。 4、 梯形 图的编制 根据功能表图,采用某种编程方式设计出梯形图程序。有关编程方式 建在下一节中介绍。 5、 功能表图的绘制方法 A 功能表图概述 功能表图又称流 程图。 它是描述控制系统的控制过程、 功能和特征的一种徒刑。 功能表图并不涉 及所描述的控制功能的具体技术, 是一种通用的技术语言, 因此, 功能表图也可 用于不同专业的人员进行技术交流。 功能表图是设计顺序控制程序的有力工具。 在顺序控制设计法中, 功能表图的绘制是最关键的一个环节。 它直接决定用户设 计的 PLC 程序的质量。 各个 PLC 厂家都开发了相应的功能表图,各国也动制定 了功能表图的国家标准。我国于 1986年也颁布了功能图的国家标准(GB6988.6—— 86) 。 B 功能表图的组成要素 如下图所是为功能表图的一般形式。它主要 是由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。 C 步与动作 前面已介 绍过, 用顺序控制设计法设计 PLC 程序时, 应根据系统输出状态的变化, 将系统 的工作过程划分成若干个状态不变的阶段,这些阶段称为“步” 。步在功能表图 中用矩形框表示。 如 , 框内的数字是该步的编号。 如下图所示各步的编号为 n-1、 n 、 n+1。 编程时一般用 PLC 内部软继电器来代表各步, 因此经常直接用相应的内 部软继电器编号作为步的编号,如 。当系统正工作于某一步时,该步处于活动 状态,称为“活动步” 。在功能表图中初始步用双线框表示,如 ,每个功能表图 至少应该有一个初始步。 所谓“动作”是指某步活动时, PLC 向被控系统发出 的命令, 或被控系统应该执行的动作。 动作用矩形框中的文字或符号表示, 该矩 形框应与相应步的矩形框相连接。 如果某一步有几个动作, 可用下图中的两种画 法来表示,但并不隐含这些动作间的任何顺序。 当步处于活动状态时,相应的 动作被执行。 但应注意表明动作是保持型还是非保持型的。 保持型的动作是指该

步活动时执行该动作, 该步变为不活动后继续执行该动作; 非保持型动作是指该 步活动时执行, 该步变为不活动时动作也停止执行。 一般保持型的动作在功能表 图中应该用文字或助记符标注,而非保持型动作不要标注。 D 有向连线、转换 和转换条件 如上图 “功能表图的一般形式” 所示, 步与步之间用有向连线连接, 并且用转换将步分隔开。 步的活动状态进展是按有向连线规定的路线进行。 有向 连线上无箭头标注时,其进展方向是从上倒下、从左到右。如果不是上述方向, 应在有向连线上用箭头注明方向。 步的活动状态进展是由转换来完成的。 转换是 用与有向连线垂直的短划线来表示。 步与步之间不允许直接相连, 必须有转换隔 开, 而转换与转换之间也同样不能直接相连, 必须由步隔开。 转换条件是与转换 相关的逻辑命题。 转换条件可以用文字语言、 布尔代数表达式或图形符号标注表 示转换的短划线旁边。 转换条件 和 ,分别表示当二进制逻辑信号 为“ 1”和 “ 0”状态时条件成立;转换条件 和 分别表示的是,当 从“ 0” (断开)到“ 1” (接通)和从“ 1”到“ 0”状态条件成立。 1、 功能表图中转换的实现 步 与步之间实现转换应同时具备两个条件:①前几步必须是“活动步” ;②对应的 转换条件成立。 当同时具备以上两个条件时,才能实现步的转换,即所有由有 向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动, 而所有由有向连线与相应转换 符号相连的前几步都变为不活动。 2、功能表图的基本结构 根据步与步之间转 换的不同情况, 功能表图有以下几种不同的基本结构形式。 (1) 单序列结构 功 能表图的单序列结构形式最为简单, 它由一系列按顺序排列、 相继激活的步组成。 , 每一步的后面只有一个转换, 每一个转换后面只有一步。 (2) 选择序列结构 选 择序列有开始和结束之分。 选择序列的开始称为分支, 选择序列的结束称为合并; 选择序列的分支是指一个前级步后面紧接着有若干个后续步可供选择, 各分支都 有各自的转换条件。分支中表示转换的短划线只能标在水平线之下。 如下图所 示为选择序列的分支。假设步 4为活动步,如果转换条件 a 成立,则步 4向步 5实现转换;如果转换条件 b 成立,则步 4向步 7转换;如果转换条件 c 成立,则 步 4向步 9转换。分支中一般同时只允许选择其中一个序列。 选择序列的合并 是指几个选择分支合并到一个公共上。 各分支也都有各自的转换条件, 转换条件 只能标在水平线之上。 如下图所示为选择序列的合并。如果步 6为活动步,转 换条件 d 成立, 则由步 6向步 11转换; 如果步 8为活动步, 且转换条件 c 成立,

则步 8向步 11转换;如果步 10为活动步,转换条件 f 成立,则步 10向步 11转换。 (3)并列序列结构 并列序列也有开始与结束之分。并列序列的开始也 称为分支,并列序列的结束也称为合并。下图(a )所示为并列序列的分支,它 是指当转换实现后将同时使多个续步激活。 为了强调转换的同步实现, 水平连线 用双线表示。如果步 3为活动步,且转换条件 c 也成立,则 4、 6、 8三步同时变 成活动步,而步 3变为不活动。应当注意,当步 4、 6、 8被同时激活后,每一序 列接下来的转换将是独立的。下图(b )所示为并列序列的合并,当直接在双线 上的所有前级步 5、 7、 9都为活动步时, 转换条件 d 成立, 才能使转换条件实现, 即步 10变为活动步,而步 5、 7、 9均变为不活动步。 (4)子步结构 在绘制复 杂控制系统功能表图时, 为了使总体设计时容易抓住系统的主要矛盾, 能更简洁 地表示系统的整体功能和全貌,通常采用“子步”的结构形式,可避免一开始就 陷入某些细节中。 所谓子步的结构是指在功能表图中,某一步包含着一系列子 部和转换。 如下图所示的功能表图采用了子步的结构形式。 功能表图中步 5包含 了 5.1、 5.2、 5.3、 5.4四个子步。 子步结构 这些子步序列通常表示整个系统 中的一个完整子总能, 类似于计算机编程中的子程序。 因此, 设计时只要先画出 简单的描述整个系统的总功能表图, 然后再进一步画出更详细的子功能表图。 子 步中可以包含更详细的子步。这种采用子步的结构形式,逻辑性强,思路清晰, 可以减少设计错误,缩短设计时间。 功能表图除以上四种基本结构外,在实际 使用中还经常碰到一些特殊序列,如跳步、重复和循环序列等。 (5)跳步、重 复和循环序列 除以上单序列、选择序列、并行序列和子步四种基本结构外,在 实际系统中经常使用跳步、 重复和循环序列等特殊序列。 这些序列实际上都是选 择序列的特殊形式。 如下图(a )所示为跳步序列,当步 3为活动步时,如果转 换条件 c 成立,则跳过步 4和步 5直接进入步 6。 如下图 (b)所示为重复序列, 当步 6为活动步时,如果转换条件 d 步成立而条件 e 成立,则重复返回步 5,重 复执行步 5和步 6。直到转换条件 d 成立,重复结束,转入步 7。 如下图(c ) 所示为循环序列,在序列结束后,即步 3为活动步时,如果转换条件 e 成立,则 直接返回初始步 0,形成系统的循环。 跳步、重复和循环序列 在实际控制系统 中, 功能表图中往往不是单一地含有上述某一种系列, 而经常是上述各种序列结 构的组合。 参考文献 [1]王卫兵 . 可编程序控制器的原理及应用 . 北京:机械工

业出版社, 2001 [2]常斗南 . 可编程序控制器的原理应用试验 . 北京 :机械工业出 版社, 2001 [3]程宪平 . 机电传动与控制 . 北京:华中理工大学出版社, 2006 [4]姚永刚 . 数控机床电气控制 . 西安:西安电子科技大学出版社, 1999

范文五：机械手控制设计

摘 要

当今社会，科学技术飞速发展，人类活动给世界带来了巨大的改变。在科技进步的同时，以各种控制器控制的不同类型的机械手以其突出的性能越来越多的被人们所应用。机械手在不同的作业场合，尤其是在特殊的环境背景下，为人类活动的顺利快速进行带来了极大的方便和益处，尤为明显的是在工业及军事领域内。工业中大量的生产活动，存在着很多不便于人类操纵的环节，特别是在工作环境较危险的情况下，如果使用具有远程控制功能的机械手，则可以增加系统的安全性，大大的节约损耗，提高效率。可见，在自动化、工业化进程中，在特殊背景环境中使用机械手已成为一种必然的趋势。

在本设计中介绍了国内外机械手研究现状及PLC 的研究发展趋势，描述了机械手控制系统的工作原理和动作实现过程。研究了基于PLC 的机械手模型控制系统的设计，还研究了MCGS 在机械手控制系统中的应用。利用组态软件MCGS 设计了机械手模型控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。

关键词：机械手，PLC ，MCGS

目 录

第一章 绪 论 ..................................................................................................... 1

1.1 课题背景 . .................................................................................................................. 1

1.2设计目的和意义 . ....................................................................................................... 1

1.3 本文主要工作 . .......................................................................................................... 2

第2章 可编程序逻辑控制器（PLC ）和机械手概述 ................................... 3

2.1 可编程序逻辑控制器（PLC ） ............................................................................... 3

2.1.1 PLC的结构 ........................................................................................................ 3

2.1.2 PLC的发展历程 ................................................................................................ 4

2.1.3 PLC的硬件 ........................................................................................................ 5

2.1.4 PLC的主要特点 ................................................................................................ 6

2.1.5 FX2N系列PLC 介绍 ........................................................................................ 7

2.2 机械手 . ...................................................................................................................... 9

2.2.1 机械手概述 . ....................................................................................................... 9

2.2.2机械手的工作原理 . ............................................................................................ 9

2.2.3机械手的发展趋势 . .......................................................................................... 10

第三章 系统设计 . ............................................................................................ 11

3.1 系统方案分析设计 . ................................................................................................. 11

3.1.1控制要求 . ........................................................................................................... 11

3.1.2 方案设计 . .......................................................................................................... 11

3.2 硬件设计 . ................................................................................................................ 13

3.2.1 输入/输出端子地址分配 . ................................................................................ 13

3.2.2 PLC接线图 ...................................................................................................... 13

3.3 系统程序设计 . ........................................................................................................ 14

3.3.1 常用编程方法介绍 . ......................................................................................... 14

3.3.2流程图 . .............................................................................................................. 16

3.3.3梯形图 . .............................................................................................................. 17

3.3.4 语句表 . ............................................................................................................. 20

3.4 MCGS 组态软件 .................................................................................................. 21

3.4.1 MCGS 组态软件结构 功能特点 ................................................................... 21

3.4.2 工程的建立和变量的定义 . ............................................................................. 25

3.4.3 动画连接 . ......................................................................................................... 28

3.4.5 调试 . ................................................................................................................. 33

第四章 系统的调试及设计总结 . .................................................................... 34

4.1 系统调试 . .............................................................................................................. 34 结 论 ................................................................................................................. 35 参考文献 ........................................................................................................... 36 致 谢 ................................................................................................................. 37 附 录1 FX2N 基本指令 .............................................................................. 38

第一章 绪 论

1.1 课题背景

随着计算机技术的飞速发展，PLC （即可编程逻辑编程器的简称）已经进入日常生产、生活的各个方面，PLC 的应用在各行各业已成为必不可少的内容。PLC 作为通用的工业计算机，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。PLC 从诞生至今，仅有30年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现在生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射和污染的场合，应用更为广泛。在我国，近几年来也有较快发展，并取得一定效果，受到机械工业和铁路部门的重视。

本次课题主要是应用三菱公司FX2N 系列PLC ，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

1.2设计目的和意义

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期的缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的的发展趋势。

自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。重点跨越，就是

坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国际民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。支撑发展就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支持经济社会的持续协调发展。引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。这一方针是我国半个世纪科技发展实践经验的概括总结，是面想未来，实现中华民族伟大复兴的重要抉择。

科技人才是提高自主创新能力的关键所在。要把创造良好环境和条件，培养和凝聚各类科技人才特别是优秀拔尖人才，充分调动广大科技人员的积极性和创造性，作为科技工作的首要任务，努力开创人才辈出、人尽其才、才尽其用的良好局面，努力建设一支与经济社会发展和国防建设相适用的规模宏大、结构合理的高素质科技人才队伍，为我国科学技术发展提供充分的人才支撑和智力保证。

1.3 本文主要工作

第一章：绪论 介绍该课题背景，对该系统的设计目的和意义做简单介绍

第二章：系统介绍可编程逻辑控制器 MCGS组态软件 和机械手

第三章：系统方案的分析 设计 及程序的设计

第四章：系统的调试 及设计总结

第2章可编程序逻辑控制器（PLC ）和机械手概述

2.1 可编程序逻辑控制器（PLC ）

2.1.1 PLC的结构

PLC 和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC 的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM) 、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线) 连接而成[9]。其结构简图如下：

图2-1 PLC硬件结构图

PLC 的软件系统是指PLC 所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC 成品必须包括的部分，由PLC 厂家提供，用于控制PLC 本身的运行，系统程序固化在EPROM 中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC 系统，他们是相辅相成，缺一不可的

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller ），简称PLC 。它是一种以微机处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信控制技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。（本次课题主要应用三菱FX2N 系列PLC

进行设计）

2.1.2 PLC的发展历程

在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。

1968年美国通用汽车公司（G.M ）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。

1969年美国数字设备公司（DEC ）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。

早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制, 通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic

Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC 中，使PLC 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。

20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC 中，使PLC 得到迅速发展。PLC 不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC 真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。

PLC 的发展过程大致可以分为如下几个阶段：

1970—1980年：PLC 的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC 刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC 结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展. 推广。PLC 的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC 的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。

1980—1990年：PLC 的普及阶段。在这一阶段，PLC 的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC 被迅速普及。各PLC 生产厂家产品的价格. 品种开始系列化，并且形

成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC 的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC 系列产品,K/A系列中、大型PLC 产品等。

1990—2000年，PLC 的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC 的功能日益增强，PLC 的CPU 运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC 的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC 的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC 。三菱公司本阶段的主要产品有FX 小型PLC 系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC 系列产品等。

2000年至今：PLC 的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC 的各种功能不断进步。一方面，PLC 在继续提高CPU 运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC 的网络与通信功能得到迅速发展，PLC 不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX 小型PLC 系列产品（包括最新的FX3u 系列产品），Qn,QnPH 系列中，大型PLC 系列产品等。

2.1.3 PLC的硬件

一、PLC 的物理结构

根据硬件结构的不同，可以将PLC 分为整体式、模块式和混合式。

1. 整体式PLC

整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC ，有一块CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU 性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC ，有CPU 模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC ，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

2. 模块式PLC

大、中型PLC 一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。

用户可以选用不同档次的CPU 模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。

3.CPU 模块中的存储器

存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC 具有基本的智能，能完成PLC 设计者的规定的各种工作。系统程序由PLC 的生厂家设计并固定化在ROM （只读存储器）中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC 能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B ）为单位。

（1）. 随机存取存储器（RAM ）

用户可以用编程装置读出RAM 中的内容，也可以将用户程序写入RAM ，因此RAM 又叫读/写存储器。RAM 的工作速度高、价格便宜、改写方便。

（2）. 只读存储器（ROM ）

ROM 的内容只能读出，不能写入。

（3）. 可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM ）

S7-200用EEPROM 来存储用户程序和长期保存的重要数据。

4.I/O模块

各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED ）显示，PLC 与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。

输入模块：PLC 通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC 控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。输入电路中设有RC 滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。

输出模块：输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为0.5—2A, 负载电源由外部现场提供。

2.1.4 PLC的主要特点

一、抗干扰能力强，可靠性高

PLC 专门为工业环境而设计，具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路；在机构上对耐热、防潮、防尘、抗震都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力，因此稳定、可靠，抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相比，PLC 更能试用工业现场较为恶劣的生产环境。

二、控制系统机构简单，通用性强

PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 够成的控制系统中，只需要在PLC 的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入/输出可以直接与交流220V 、直流24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。

三、编程简单，易于使用

PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，因此PLC 程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识就可在短时间内学会。

四、功能完善

现代PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能，还能完成A/D转换、D/A转换、模拟量处理、高速计算、联网通信等功能，可以通过上位计算进行显示、报警、记录，进行人机对话，使控制水平大为提高。因此，PLC 具有极强的适用性，能够很好地满足各类型控制的需要，是目前工厂中应用最广的自动化设备。

五、体积小、维护操作方便

PLC 体积小，质量轻，便于安装。PLC 的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监控。

2.1.5 FX2N系列PLC 介绍

FX2N 型PLC 的主要种类

FX2N型PLC 按品种可以分为基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊扩展设备。

基本单元由内部电源、内部输入输出、内部CPU 和内部存储器组成，只有基本单元可以单独使用，当输入输出点数不足时可以进行扩展。

扩展单元由内部电源、内部输入输出组成、需要和基本单元一起使用。

扩展模块由内部输入输出组成，，自身不带电源，由基本单元、扩展单元供电，需要和基本单元一起使用。特殊扩展设备可以分为3类：特殊功能板、特殊模块和特殊单元，是一些特殊用途的装置。特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等，特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块，特殊单元用

于定位脉冲输出。

FX2N 型PLC 的初步认识

如图所示为FX2N 型PLC 基本单元外形，其主要是通过输入端子和输出端子与外部控制电器联系的。输入端子连接外部的输入元件，如按钮、控制开关、行程开关、接近开关、热继电器接点、压力继电器接点、数字开关等。输出端子连接外部的输出元件，如接触器、继电器线圈、信号灯、报警器、电磁铁、电磁阀、电动机等。

图2-2（三菱FX2N 系列PLC 实物图）

工作过程

（1）输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输入刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入端信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

（2）程序处理阶段

根据PLC 梯形图程序扫描原则，PLC 按从左至右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC 就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（软继电器）的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每个元件（软继电器）的状态会随着程序执行过程而变化。

（3）输出刷新结果阶段

在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。

2.2 机械手

2.2.1 机械手概述

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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。他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。机器手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在我国民经济领域有着广阔的发展前景。

机器手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动化控制技术、传感技术和计算机技术的科学领域，是一门跨学科综合性技术。

2.2.2机械手的工作原理

机械手是一种能自动化定位控制并可重新汇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的工作。工业机械手是近似自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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，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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、、粉尘、噪音以及带有放射性和污染场合，应用得更为广泛。在我国，近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。

本项目要求设计的机械手模型可以归为一类，即通用机械手。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用机械手。通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，

同时并熟悉掌握PLC 技术、位置控制技术、气动技术等工业常用的技术

2.2.3机械手的发展趋势

随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人工工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往返的工作有机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的东西对人体的伤害，如：冶金，化工，医药，航天等。代表当代最先进的技术在日本，他的自动化。人性化让人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合现在尖端技术的现代机器。我国也在陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化技术有待提高发展趋势是工作强多高灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能使人只做平时的简单维护，这也是现代工厂的发展趋势。

此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为机械制造系统中的一个基本单

第三章 系统设计

3.1 系统方案分析设计

3.1.1控制要求

利用MCGS 组态软件设计一机械手组态控制系统，机械手可以上下、左右移动；利用上下、左右限位开关控制机械手启停；机械手从原点开始，按以下动作进行：原点—启动—下行（到下限位停）—抓工件—上行（到上限位停）—右行（到右限位停）—下行（到下限位停）—放工具—上行（到上限位停）—左行（到左限位停）。在机械手运行过程中，任何时候都可以利用急停按钮，停止机械手动作。

（一）利用PLC 编写程序控制组态画面中变量的变化

（二）利用PLC 的输入信号控制组态画面，也可利用组态中各软按钮控制PLC 程序的运行和组态运行

3.1.2 方案设计

利用MCGS 组态软件设计一机械手组态控制系统, 利用机械手上下左右移动碰到的限位开关作为系统的输入信号。系统设置一个启动按钮和一个急停按钮来控制系统的启动和停止。系统组态软件设计成一个机械手画面，通过动画连接和脚本程序。与PLC 的联合调试 使系统达到可以在MCGS 系统中监控机械手的运动。同时可以利用PLC 程序控制组态画面的要求。

图3-1

图3-2

3.2 硬件设计

3.2.1 输入/输出端子地址分配

3.2.2 PLC接线图

3.3 系统程序设计

GX Developer 是三菱PLC 的编程软件。适用于Q 、QnU 、QS 、QnA 、AnS 、AnA 、FX 等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC 、 ST及FB 、Label 语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC 程序功能。 GX Developer的特点

1. 软件的共通化 GX Developer 能够制作Q 系列，QnA 系列，A 系列（包括运动控制（SCPU ））,FX 系列的数据, 能够转换成GPPQ,GPPA 格式的文档。 此外，选择FX 系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 2. 利用Windows 的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word 等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。 3. 程序的标准化 (1) 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。 (2) 功能块（以下，略称作FB ） FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。 4. 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。 5. 能够用各种方法和可编程控制器CPU 连接 (1) 经由串行通讯口 (2) 经由USB (3) 经由MELSECNET/10(H)计算机插板 (4) 经由MELSECNET(Ⅱ)计算机插板 (5) 经由CC-Link 计算机插板 (6) 经由Ethernet 计算机插板 (7) 经由CPU 计算机插板 (8) 经由AF 计算机插板 6. 丰富的调试功能 (1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。 (a) 没有必要再和可编程控制器连接。 (b) 没有必要制作条使用的顺序程序。 (2) 在帮助中有CPU 错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。。 (3) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。

3.3.1 常用编程方法介绍

1 经验设计法

在一些典型的控制环节和电路的基础上, 根据被控制对象对控制系统的具体要求, 凭经验进行选择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果, 需要进行多次反复地调试和修改, 增加一些辅助触点和中间编程元件。这种设计方法没有一个普遍的规律可遵循, 即具有一定的试探性和随意性, 最后得到的结果也不是唯一的, 设计所用的时间、设计的质量与设计者经验验多少有关。 经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计时比较有效的, 可以收到快速、简单的效果。但是, 由于这种方法主要时依靠设计人员的经验进行设计, 所以对设计人员的要求也比较高, 特别时要求设计者有一定的实践经验, 对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。对于比较复杂的系统, 经验法一般设计周期长, 不易掌握, 系统交付使用后, 维护困难。所以, 经验法一般只适合于比较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。

2 接触器-继电器法

接触器-继电器法就是依据所控制电器的接触器-继电器控制线路原理图，用PLC 对应的符号和功能相当的器件，把原来的接触器-继电器系统的控制线路直接翻译成梯形图程序的设计方法。接触器-继电器法特别适合于初学者编程设计使用，也特别适合对原有旧设备的技术革新和技术改造。 3 顺序控制法

顺序控制法就是在生产控制过程中，按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入控制信号的作用下，根据所需要的状态和时间顺序，在生产过程中的各个输出执行机构自动地按照预先规定的顺序有步骤地进行操作。

顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图, 然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中, 在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始, 步之间没有重叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。而对于每一步的程序段, 只需处理极其简单的逻辑关系。因而这种编程方法简单易学, 规律性强。设计出的控制程序结构清晰、可读性好, 程序的调试和运行也很方便, 可以极大地提高工作效率。

4 逻辑设计法

工业电气控制线路中, 有不少都是通过继电器等电气元件来实现, 而继电器, 交流接触器的触点都只有两种状态即吸合和断开, 因此, 用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路时完全可以的,PLC 的早期应用就是替代继电器控制系统, 因此用逻辑设计方法同样也适用于PLC 应用程序的设计。当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后, 实现这个逻辑函数的线路就确定了。当这种方法使用熟练后, 甚至梯形程序也可以省略, 可以直接写出于逻辑函数和表

达式对用的指令语句程序。

用逻辑设计法设计PLC 应用程序的一般步骤如下:

第一步：列出执行元件动作节拍表

第二步：绘制电气控制系统的状态转移图;

第三步：进行系统的逻辑设计;

第四步：编写程序;

第五步：对程序检测、修改和完善。

3.3.2流程图

该系统采用顺序控制法，在顺序功能图中, 在实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始, 步之间没有重叠。这是系统中大量复杂的连锁关系在步的转换中得以解决。

3.3.3梯形图

用三菱PLC 的编程软件GX Developer编的梯形图

3.3.4 语句表

3.4 MCGS 组态软件

MCGS （Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件。它能够在基于Microsoft 的各种32位Windows 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。其主要特征和功能大体为：具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、有良好的并行处理性能、有丰富生动的多媒体画面、开放式结构、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能、多样化的报警功能、支持多种硬件设备、方便控制复杂的运行流程、良好的可维护性和可扩充性、设立对象元件库组态工作简单方便、能实现对工控系统的分布式控制和管理等等。

3.4.1 MCGS 组态软件结构 功能特点

MCGS 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，用来帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户的制定方式运行，并进行各种处理，完成用户组态用户设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如下图所示：

由MCGS 生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。如下图所示

MCGS 的五大组成部分

MCGS 组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。

（1）主控窗口

主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等内容，是应用系统的主框架。

在主窗口中可以放置一个设备

窗口和多个用户窗口，主控窗口负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

（2）设备窗口

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件吧外部设备的数据采集进来，送人实时数据库中的数据输出到外部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口来管理和调度所有设备构件正常工作，并在后**立运行。

（3）用户窗口

用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。其中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画显示与操作模块，用户可以直接使用。通过在用户窗口内放置不同的图形对象来搭建多个窗口，用户可以构件各种复杂的图形界面，以便用不同的方式实现数据和流程的可视化。

组态工程中的用户窗口，最多可以定义512个。所以的用户窗口均位于窗口内，其打开时窗口可见，关闭时窗口不可见。允许多个用户窗口同时处于打开状态，其位置、大小和边界等属性可以随意改变或设置。

（4）实时数据库

实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，是MCGS 系统的核心。它将MCGS 工程各个部分连接成有机的整体。本窗口内定义的不同类型和名称的变量，将作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

MCGS 用实时数据来管理所有的实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据的报警处理和存盘处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）以及对该变量的操作方法（设置报警性、报警处理、存盘处理等）。这种将数值、属性和方法封装在一起的数据称为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，不仅仅为其他部分提供服务，还为系统各个功能部件提供数据共享。

（5）运行策略

运行策略是对系统运行的流程实现有效控制的手段。本窗口主要完成对工程运行流程的控制。包括编程控制程序（if ??then 脚本程序）和选用各种功能构件，例如数据提取、定时器、配方操作和多媒体输出等。

运行策略本身是系统提供的一个框架，里面放置有策略条件构件和由策略构件组成的策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制

用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。

一个应用系统有三个固定的运行策略：启动、循环策略、和退出策略，用户也可以根据具体需要创建新的用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，并且用户最多可创建521个用户策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用。

MCGS 组态软件功能及其特点

MCGS 的主要和基本功能如下：

（1）简单的可视化操作界面

MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS 的组态工作既简单直观，又灵活多变符合中国人的使用习惯和要求。用户可以使用系统的默认构架，也可以根据自己的需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS 风格和标准Windows 风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。

（2）实时性强、良好的并行处理性能

MCGS是真正的32位系统充分利用了32位Windows 操作品台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使PC 机广泛应用于工程测控领域成为可能。

（3）丰富、生动的多媒体画面

MCGS以图像、图符报表和曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗的闪烁、图形的移动反转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS 还为客户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都应一个特定的动画功能。MCGS 还支持多媒体功能，使能够开发出集图像、声音、动画为一体的漂亮、生动的工程画面。

（4）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能

MCGS采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据，MCGS 提供多种高性能的I/O驱动；支持Microsoft 开放数据库互连（ODBC ）接，有强大的数据库连接能力；全面支持OPC(OLE for Process Control) 标准，即可作为OPL 客户端，也可以作为OPC 服务器，可以与更多的自动化设备相连接；MCGS 通过DDE(Dynamic Data Exchange,动态数据交换) 与其他应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源；MCGS 全面支持ActiveX 控制，提供极其灵活的面向

对象的动态图形功能，并且包含丰富的图形库。

（5）完善的安全机制

MCGS提供了良好的安全机制，为多个不同级别的用户设定了不同的权限。此外MCGS 还提供了工程密码，锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者劳动成果的力度。

（6）强大的网络功能

MCGS支持TCP/IP、MODEN 、RS-458/RS-422/RS-232等多种网络体系结构；使用MCGS 网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用IE 浏览器方便的浏览到实时和历史的监控信息，实现设备管理和企业管理的集成。

（7）多样化的报警功能

MCGS提供多种不同的警报方式，具有丰富的警报类型和灵活多样的警报处理函数。不仅方便用户进行警报设置，并且实现了系统实时显示、打印警报信息的功能。警报信息的存储与应答功能，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。

（8）实时数据库为用户分步组态提供极大方便

MCGS由主窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的功用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每个部分均可分别进行组态配置，独立创建，互不干扰；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换，形成互相关连的整体。

（9）支持多种硬件设备，实现“设备无关”

MCGS 针对外部设备的特征，设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备。不同的设备构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系；而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其他构件和整个系统。

（10）控制方便复杂的运行流程

MCGS开辟了“运行策略窗”口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic 语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据交换，实现自由，准确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。

（11）良好的可维护性和可扩充性

MCGS 系统由五大功能模块组成，主要的模块以及构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自的独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS 系统三大部分（设备驱动、动画构件和流程控制）的所有工作。除此之外，MCGS 还提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的用VB 、VC 等高等高级开发语言，编制特定的构件来扩充系统的功能。

（12）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高

MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结构是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率；同时，也使其他应用软件系统能直接数据库中存盘数据。

（13）设立对象元件库，组态工作简单方便

对象元件库，实际上是分类储存的各种组态对象的图库。组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对像、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，同样也可把元件库的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用问题。组态工作将会变得更加简单、方便。

（14）实现对工控系统的分布式控制和管理

考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS 充分运用现今发展的DCCW(Distributed Computer Cooperator Work，分布式计算机协通工作方式) 技术，使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过MCGS 实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制管理。

3.4.2 工程的建立和变量的定义

1) 首先双击桌面MCGS 组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。

2) 单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程0.MCG ”。

3) 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。

4) 在文件名一栏内输入“机械手控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图所3-3示。

图3-3

在MCGS 中，变量也叫数据对象。实时数据库是MCGS 工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

变量的分配

在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要16个变量，见下表。

变量定义的步骤

1) 单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗

口页，如图3-4所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。

其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象

添加进去。

2) 单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，

增加了一个新的数据对象，如图3-5所示。

3) 选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打

开“数据对象属性设置” 窗口。

图3-4实时数据库窗口

图3-5实时数据库窗口

图3-6 数据对象属性设置窗口

4) 将“对象名称”改为：启动按钮；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手启动信号，X11输入，1有效。

5) 单击“确定”。如图3-6所示。

6) 按照步骤2~5，根据上面列表，设置其他数据对象。

7) 单击“保存”按钮。

3.4.3 动画连接

指示灯的动画连接

1) 双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。

2) 单击“动画连接”选项卡，进入该页。

图3-7 动画组态属性设置

3) 单击“组合图符”，出现“？”、“>”按钮。

4) 单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。单击“属性设置”选项卡，进入该页，如图4-7所示。

5) 选中“可见度”选项卡，其他项不选。

6)

图3-8 动画组态属性设置

单击“可见度”选项卡进入该页，如图4-8所示。

7) 在“表达式”一栏，单击“？”按钮，弹出当前用户定义的所有数据对象列表，双击“启动按钮”。

8) 在“当表达式非零时”一栏，选择“对应图符可见”。 9) 单击“确认”按钮，退出“可见度”设置页。

10) 单击“确认”按钮，退出“单元属性设置”窗口，结束启动指示灯的动画连接。

11) 单击“保存”按钮。

12) 依次对其他指示灯进行设置，依照步骤1）~11）。

经过这样的连接，当按下机械手或画面上的启动按钮后，不但相应变量的值会改变，相应指示灯也会出现亮灭的改变。 机械手的动画连接

1、垂直移动动画连接：

1) 在“实时数据库”中增加一个新变量“垂直移动量”，初值：0，类型：

数值型。

2) 单击“查看”菜单，选择“状态条”，在屏幕下方出现状态条。状态

条左侧文字代表当前操作状态，右侧显示被选中对象的坐标和大小。 3) 估计总垂直移动距离：在上工件底边与下工件底边之间画一条直线，

根据状态条大小指示可知直线长度即总垂直移动距离，垂直移动距离为104。

4) 在脚本程序的开始处增加“动画控制”语句： IF 下移=0 THEN

垂直移动量=垂直移动量+1 ENDIF

IF 上升=0 THEN 垂直移动量=垂直移动量-1 ENDIF

变化率=1个相素/每次，即每执行一次脚本程序，垂直移动量加1或减1，当然变化率也可以选大些或小些。

5) 计算垂直移动一次脚本程序执行次数：次数=下移时间（上升时间）/

循环策略执行间隔=5s/200ms=25次。

6) 计算：垂直移动量的最大值=循环次数* 变化率=25*1=25。 7) 在机械手监控画面中选中并双击上工件，弹出“属性设置”窗口。 8) 在“位置动画连接”一栏中选中“垂直移动”，单击“垂直移动”选

项卡，进入该页。

9) 按照图4-9所示在“表达式”一栏填入：垂直移动量。在垂直移动连

接栏填入各项参数。单击“确认”按钮，存盘。 10) 进入运行环境，单击“启动”按钮，观察动作。

图3-9 动画组态属性设置

2、水平移动动画连接：

1) 水平移动总距离的测量：在工件初始位置和移动目的地之间画一条直

线，记下状态条大小指示，此参数即为总水平移动距离。移动距离为180. 2) 在数据库中增加一个变量：水平移动量，数值型，初值为0。

图3-10 动画组态属性设置

3) 脚本程序中增加以下代码： IF 前伸＝0 THEN 水平移动量=水平移动量+1 ENDIF

IF 后缩＝0 THEN 水平移动量=水平移动量-1 ENDIF

4) 脚本程序执行次数＝后缩时间（前伸时间）／循环策略执行时间

=10s/200s=50次。

5) 计算：水平移动量的最大值=循环次数*变化率=50*1=50，即当水平移动

量＝50时，水平移动距离为180。

6) 如图4-21所示对右滑杆、机械手、上工件、气夹分别进行水平动画连接。

参数设置的意思是：当水平移动量=0时，向右移动距离为0；当水平移动量＝50时，向右移动距离为180。

7) 进入运行环境调试。 3、工件移动动画的实现：

1) 在实时数据库中填加一个变量：工件夹紧标志，初值：0，类型：开关。 2) 在脚本程序中加入两条语句： IF 夹紧=1 THEN

工件夹紧标志=1 ‘处于夹紧状态 ENDIF

IF 放松

=1 THEN

工件夹紧标志=10 ‘处于放松状态 ENDIF

图3-11 动画组态属性设置

3) 选中下工件，在“属性设置”页中选择可见度。

4) 进入“可见度”页，在表达式一栏填入：工件夹紧标志；当表达式非零时，选择：对应图符不可见。意思是：当工件夹紧标志＝1时，下工件不可见；当工件夹紧标志＝0时，下工件可见。如图4-21所示。

5) 选中并双击上工件，将其可见度属性设置为与下工件相反，即当工件夹紧标志非零时，对应图符可见。如图4-22所示。

图3-12 动画组态属性设置

5）依照步骤3)~5)对气夹进行设置。 6）存盘，进入运行环境调试。 7）删去画面中不需要的图符。

3.4.5 调试

保存所有组态设置，然后关闭组态监控程序。将PLC 程序下传到PLC

装置中

并让其运行，切换到离线状态，然后启动MCGS ，进入组态工程运行界面。在运行中通过对按钮的操作可检测所编程序的正确与否。经过运行测试，该组态监控软件可对机械手控制系统的动作过程进行有效监控，PLC 程序达到了控制要求。

第四章 系统的调试及设计总结

4.1 系统调试

（1）硬件检测调试

从硬件方面检查系统的各个方面，保证系统的硬件接线正确 （2）机械手控制程序的调试 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，并改正写入出现错误。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 上有关的法官二极管来显示，一般不用接PLC 实际的负载。可以根据功能表，在适合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，即在某一转换条件是现实时，是否发生的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级初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。在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL 指令编程时，刚开始由于对STL 指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改进，最终程序调试成功。机械手运行良好，动作正确、符合控制要求。

结 论

在本次课题设计中，机械手模型控制系统采用PLC 进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC 进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。

利用组态软件MCGS 对机械手控制系统进行监控，可以以最少的人员配置来加强对机械手的管理，提供较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供多方面的可能性，充分提高系统的工作效率。MCGS 是一种比较新颖的软件，将MCGS 应用于机械手的自动控制对我来说是一次新的体验。

本文中介绍的机械手模型控制系统对于教学有很好的辅助作用。机械手控制技术是一项综合型的技术，机械手控制系统又是一个复杂的随机系统，本次设计的机械手模型控制系统与真正的机械手控制系统之间还有很大的差距。由于对组态软件MCGS 掌握的不熟练，软件的一些功能没有能应用到监控系统中。另外，本文中的机械手模型控制系统比较简单，还需要不断改进和加强。

参考文献

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版）, 电子工业出版社，2010

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[12] 张伟林主编. 电气控制与PLC 应用，人民邮电出版社，2007

[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

致 谢

光阴似箭，日月如梭，时间过得很快，大学时光即将结束，转眼间就要

毕业了。大学最后一个学期有一个任务就是做毕业设计。毕业设计是对我们大学所学知识的总结升华，同时也是对我们的一次检测。

这次我们的组的课题是基于MCGS 和PLC 的机械手控制系统组态设计，主要运用我们所学的知识PLC 和MCGS 组态软件来完成这次毕业设计，在设计的过程中从最初的设计，到程序设计、MCGS 组态软件，到最后的论文写作都得到了我们老师罗少华老师的精心指导和热情地帮助，在论文完成之际，向老师表示衷心地感谢！

在我做设计的过程中，我的各位老师和同学给我提供了很多帮助和支持，在此表示特别的感谢！

学生签名：刘勇

日期：2012年12月19日

附 录1 FX2N 基本指令

（1）触电连接指令

湘潭技师学院毕业设计（论文）

(2)输出指令

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