1、搬运机械手的 PLC 控制系统设计摘 要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及。其主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。首先研究机械手组成结构、工作原理和控制要求。机械手主要由两个步进电机来实现机械手的左移右移和上升下降运动，一个交流电动机控制搬运机械手的正反转运动。搬运机械手的动作转换主要由设置在各个不同部位的行程开关产生的通断信号传输到 PLC 中进行控制，从而实现本机械手的精确定位。其动作过程包括：下降、夹紧、上升
2、、正转、右移、下降、放松、上升、左移、逆转；其操作方式包括：回原点、手动、单周期、连续四种方式来满足生产中的各种操作要求。其次确定了机械手运动形式，设计了机械手主要的组成机构，对搬运机械手运动控制进行了总体方案设计。提出了机械手的 PLC 控制系统，并选取了合适的PLC、扩展模块型号，绘制了搬运机械手输入输出接线图、电气接线图。根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，设计了机械手工作时的梯形图,在实验室进行了程序的调试、运行。关键词：搬运机械手，可编程逻辑控制器，步进电机Handling Manipulators PLC Control System DesignABSTRACTW
3、ith the popularization and development of industrial automation, the controller demand is increasing year by year, and the handling robot applications are becoming more common. Its main in the automotive, electronics, machining, food, medicine and other areas of production lines or cargo transported
4、, can be better to save energy and to improve the efficiency of the transport equipment or products, in order to reduce the limitations and shortcomings of the other handling methods, meet modern the requirements of economic development.First, we study the robot structure, working principle and cont
5、rol requirements. Manipulator by two stepper motors to the robots left right and up and down movement, an AC motor control handling robot reversing movement. Handling robot action conversion set in different parts of the trip switch off signals transmitted to the PLC control, in order to achieve the
6、 precise positioning of the robot. Its course of action, including: drop, clamping, rise, turning, moves right, drop, relax, rise, moves left, reverse; its mode of operation including: homing, manual, single cycle, continuous four ways to meet the production a variety of operating requirements. Seco
7、nd, determine the form of movement of the robot, design the robot main constituent bodies, and design the handling robot motion control of the overall program. Put forward the manipulator of PLC control system, and select the appropriate PLC expansion module model, draw a handling robot input and ou
8、tput wiring diagram, electrical wiring diagram.Based on the workflow of the robot control program of the programmable logic controller, we design a robot work ladder, and debug run in the laboratory.Key words：Handling manipulator, programmable logic controller, stepper motor目 录摘 要 .IABSTRACTII第 1 章绪
9、论 .11.1 题目的背景和意义 11.2 题目研究现状概述 11.3 本论文研究内容 3第 2 章搬运机械手工作原理 .52.1 搬运机械手的组成 52.2 搬运机械手的动作流程 62.3 搬运机械手结构与驱动 72.3.1 搬运机械手结构 82.3.2 搬运机械手驱动 9第 3 章 搬运机械手整体方案设计 .113.1 搬运机械手执行机构设计 .123.1.1 手爪结构设计 .123.1.2 臂部结构设计 .123.1.3 底盘结构设计 .133.1.4 整体结构设计 .143.2 搬运机械手驱动系统设计 .143.2.1 步进电机的特点 .153.2.2 步进电机及驱动器的选取 .163
10、.2.3 步进电机驱动器接线图 .163.3 搬运机械手控制系统设计 .173.3.1 PLC 的工作过程 .173.3.2 PLC 的工作方式 .183.3.3 PLC 的选型 .193.3.4 I/0 点分配 .213.4 PLC 控制系统硬件 .233.4.1 主电路接线图 .233.4.2 PLC I/O 接线图 .24第 4 章搬运机械手软件设计 254.1 PLC 编程软件 STEP7-MICRO/WIN32 简介.254.2 梯形图的总体设计 .264.3 PLC 程序模块介绍 .274.3.1 公用部分程序 .274.3.2 自动操作程序 .294.3.3 手动操作程序 .30
11、4.3.4 回原点程序 .304.4 控制步进电机脉冲产生子程序 .304.5 对旋转编码盘计数子程序和中断程序 .314.6 程序调试 .33第 5 章 结 论 .36参考文献 37谢 辞 38第一章绪论1.1 题目的背景和意义机械手臂（robotic arm）是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备，这种机器人系统有多关节连结并节允许在平面或三度空间进行运动或使用线性位移移动。构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成，并由程式根据作业需求设定其一定的指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作，并精确的回馈至可编程逻辑的控制器（PLC） 。这
12、种自动装置机械以完成“腕部以及手部”的动作为主要素求，可以由熟练的操作者将作业顺序输入后，就能依样照作并且反复完成无数次的的正确规律运作。 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温.腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工作人员的劳动强度，甚至威胁到健康和生命安全。由于以上问题，人们需要一种可以替代人类在恶劣的环境中进行作业的装置，同时随着社会的进步，工业自动化产品的性能日益提高，而电子元器件也因技术的迅速发展而大幅减低，因此机械手这种装置便应运而生了，它可以在一定程度上替代人员在恶劣环境中工作，不但减轻了工人的劳动强度，还大大提高了劳动生产率。自从机器手臂技术开始发展，在 198
13、0 年代机器手臂已成功的应用于汽车制造业等产业，在机械人技术领域是应用范围最广泛的自动化机械装置，而许多工业危险之组装、喷漆、焊接、高温铸锻等繁重工作，皆能以机器手臂取代人工作业。 4目前机械手臂在机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，除了主要用于工业制造上， 商业农业、医疗救援、娱乐服务、军事安保甚至在太空探索等领域都可以发现其应用装置。机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于 40 年代的美国橡树领国家实验室的搬运核原料的遥控机械手的研究，它是一种主从性的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长机械臂，在其端部装有电磁铁的工
14、件抓防机构，控制系统是示教型的；1962 年美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控式再现型机械手。运动系统仿照坦克炮塔，机械臂可以回转俯仰伸缩，有液压驱动；控制系统用磁鼓做存储装置。许多球面坐标机械手就是在各基础上发展起来的。第一台专门应用于产业生产使用的机械手臂则是由具有“机械手臂之父”之称的 约瑟夫恩格伯格（Joseph F. Engelberger）所发明的。他创立了 Unimation 有限公司，在 1956年利用 乔治迪沃尔（George Devol）所授权的专利技术，研发出第一台工业用机械手臂，名为“Unimate” 。而这台机械手臂第一次应用则是在美国通用汽车的新新
15、泽西州厂的压铸作业上。 其实在这个时期世界各国的机械手臂也正在萌芽发展阶段，例如日本不二输送机工业株式会社（Fuji Yusoki Kogyo Co. Ltd.）就在 1963 年制造出专门使用在栈板装载（Palletizing）的机械手臂，研发出针对栈板专用的搬运工具，此时已经从简单重复的加工动作更扩大到减轻人力负担的搬运机械上。这个时期所研发出来的机械手臂多为 3 个关节轴，而且直到目前为止依然被产业界广泛应用，尤其对于简单的加工、夹持与搬运，成为自动化生产制造必备的好伙伴。 然而随着加工方式的多元与复杂化，机械手臂也开始朝着更多关节轴的技术发展，在 1973 年德国库卡机器人集团（KUK
16、A Robot Group）就研发出第一台采用机电驱动的 6 轴机械手臂。 从此开始随着驱动与控制技术的不断进步，产业用机械手臂也从单点加工，发展到多点同时加工、搬运，这对于生产线的自动化，乃至于整厂自动化的影响都非常大。德国普曼公司专门生产机械手联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输 焊接和设备上下料作业；联邦德国 K 公司还生产了一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；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械手后开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上机械手应用最多的国家之一。前苏联自 60 年代开始应用发展机械手，主
17、要用于机械化自动化程序较低的繁重及有害健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究开始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发与上海，随后我国开始全面研究和应用机械手。自第七个五年计划开始，我国已经研究开发了一系列的工业机器人，例如有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机机器人，广州机床研究所与北京机床研究所合作开发的点焊机器人等等。而这些机器人的控制器是由沈阳自动化研究所开发的，同时一系列的机器人的关键部件也被开发出来。1.2 题目研究现状概述目前产业所使用的机器人大多以机械手臂的型式为主，机械手臂又以各种形状与大小而有所不同，常见的型式有线性手臂、SCARA 手臂、关节多轴机
18、械手臂等。 从关节构造上，可分为三轴（含）以下（简称三轴）与四轴（含）以上（简称多轴）两大类。之所以要进行分类，是因为这两方面使用的市场、厂商并不冲突。虽然在应用上的原理类似但是两者的技术并不相同，也因为使用者的需求不同自然在功能区隔上就会非常明显。机械手部会根据工作种类附加各式的夹持或加工工具，设计上是模仿人类手部机能为主。从机械手臂行走运动原理，可分为直角座标型、圆柱座标型、极座标型、关节型座标种类。 所谓直角座标就是移动方式与前一臂件分成 90 度角，计算用X、Y、Z 等作为代表座标，在各座标的长度范围内进行工作或运动。 圆柱座标手臂包含有三个关节，主要的结构是环绕基底主体作轴承旋转执行
19、动作，其上方有两个可直线滑动的手臂沿着水平方向运动和仰俯角垂直方向运动控制，另外一各所能涵盖的体积为一圆柱型旋转，所以手臂的端点能扫过两个圆柱间所有点。 极座标有一手臂由另两个旋转轴所支撑，一个是围绕着基座转动，能做线性运动的收入伸出，另一个是由基座绕垂直做出垂直线性的转动。 关节型旋转座标上有三个以上的转动轴，其中一个连杆是装在基座上能绕基座旋转，另两个连杆的运动型态就如同铰链间两工件能做相对的转动，其转动轴在水平和垂直都有。机械手臂在产业自动化的应用已经相当广泛，因为各个国家产业分布的不同，以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机械手
20、臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。自从第一台产业用机器人发明以来，机械手臂的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业，更拓展到农业、医疗、服务业等等。多轴机械手臂研发方面，多轴式机械手臂广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。机械手臂可以提升产品技术与品质，而这些初期工作大多可以借由机械手臂来完成。机械手臂的精准、零误差，对于产品的品质掌握自然拥有其优势，减少品管所花费的时间与人力。 工业应用上，以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测等，全球目前产业使用量是以汽车、汽车零组件、化工、橡胶和塑料等最大。现在，ROBOT 的应用已越来越多元化，依据国际机器
21、人协会（IFR）的统计，至 2007 年底机械手臂除了工业以外，最多应用于救援、保全与野地（田野、牧场等） ，近年来，各先进国家为了提升台机器人的技术水平，都会推广机器人产业与创立相关联盟，并且特别针对工业以外的领域进行推广，例如：医疗、服务、生活方面等。以医疗为例，有许多大型医学中心使用以手动操控方式之机械手臂，结合显微影像显示系统所结合的手术型机器人。 机械手臂的研发也朝向节省人力、减少人类暴露在危险的工作环境、甚至进行更加精密的工作或是辅助操作。机械手臂的技术发展都是为了让人类在工作与生活中更加便利。但是机械手通常工作在恶劣环境下，所以需要它具有极为耐用可靠的性能。而 PLC 因其可靠性
22、高而 PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强，统构成简单、通用性强，编程简单、使用、维护方便，组合方便、功能强、应用广，体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应用于控制复杂动作的场合，比如用于我们的机械手控制。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC） ，一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部 CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。广泛应用于目前的工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组
23、成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controller） ，但是由于它的简写也是 PC 与个人电脑（Personal Computer ）的简写相冲突，也由于多年来的使
24、用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用 PLC 这一缩写。现在工业上使用可编程逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与 PLC 架构的 PC-BASE 控制器，能透过数字或模拟输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。PLC 可接收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。PLC 综合了计算机、半导体、自动控制、通信网络等各方技术，以微处理器为基础成立发展而来的一种工业通用的自动控制装置，并以其显著的优势活跃在冶金、交通、电力、化
25、工等领域，成为了现代工业不可或缺的重要组成部分。国际电工委员会（IEC）在其标准中将 PLC 定义为:“可编程逻辑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。可编程逻辑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。 ”美国通用汽车公司在 1968 年提出了著名的“通用十条”招标指标，也是目前 PLC 的特点：1. 编程方便，现场可修改程序；2. 维修方便，采用模块化结构
26、；3. 可靠性高于继电器控制装置；4. 体积小于继电器控制装置；5. 数据可直接送入计算机；6. 成本可与继电器控制装置竞争；7. 输入可以是交流 115V；8. 输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9. 在扩展时，原系统只要很小变更；10. 用户程序存储器容量能扩展。可编程控制器的兴起与美国现代工业自动化生产发展的要求密不可分的。PLC 源起于 1960 年代，当时美国通用汽车公司，为解决工厂生产线调整时，继电器顺序控制系统之电路修改耗时，平时检修与维护不易等问题。在可编程逻辑控制器出现之前，汽车制造业中的一般控制、顺序控制以及安全互锁逻辑控制必须完全依靠众多的继电
27、器、定时器以及专门的闭回路控制器来实现。它们体积庞大、有着严重的噪音，不但每年的维护工作要耗费大量的人力物力，而且继电器-接触器系统的排线检修等工作对维护人员的熟练度也有着很高的要求。针对这些问题，美国通用汽车公司在 1968 年向社会公开招标，要求设计一种新的系统来替换继电器系统，并提出了著名的“通用十条”招标指标。随后，美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于 1969 年研制成功了第一台 PDP-14控制器，并在汽车自动装配线上使用并获得成功。由于当时系统主要用于顺序控制、职能进行逻辑运算，所以被命名为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC
28、） 。最早期的 PLC 只具有简易之逻辑开/关（on/off）功能，但比起传统继电器之控制方式，已具有容易修改、安装、诊断与不占空间等优点。1970 年代初期，PLC 引进微处理机技术，使得 PLC 具有算术运算功能与多比特之数字信号输出/输入功能，并且能直接以阶梯图符号进行程序之编写。这项新技术的使用，在工业界产生了巨大的反响。日本在 1971 年从美国引进了这项技术，并很快研制成功了自己的 DCS-8 可编程逻辑控制器，德、法在 1973 年至1974 年间也相继有了自己的该项技术。中国则于 1977 年研制成功自己的第一台可编程逻辑控制器，但是使用的微处理器核心为 MC14500。 19
29、70 年代中期，PLC功能加入远距通讯、模拟输出输入、NC 伺服控制等技术。 1980 年代以后更引进PLC 高速通讯网络功能，同时加入一些特殊输出/输入界面、人机界面、高功能函数指令、资料收集与分析能力等功能。PLC 的功能早已不止当初数字逻辑之运算功能，因此近年来 PLC 常以可编程控制器（Programmable Controller）简称之。plc 自 1966 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。一般讲，PLC 分为箱体式和模组式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源
30、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。对模组式 PLC，有 CPU 模组、I/O 模组、内存、电源模组、底板或机架。无论哪种结构类型的 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。PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。PLC 的基本构成为如下： a、电源：PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。有些 PLC 中的电源，是与 CPU 模组合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为 PLC
31、各模组的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源如果为交流电源通常为 220VAC 或 110VAC，若为直流电源常用的为 24V。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 b、中央处理单元(CPU)：中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢是 PLC 的核心。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I
32、/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。与个人电脑一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的资料、控制及状态总线构成，还有周边芯片、总线界面及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个
33、系统仍能正常运行。c、存储器：内存主要用于存储程序及资料，是 PLC 不可缺少的组成单元。PLC 内部会存放撰写完成编辑的程序指令及资料，通常也可使用 RAM 或 EEPROM 等专用内存卡片方式扩充，但扩充能力得依各厂牌与型号有所不同。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路：1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、输入/输出单
34、元：PLC 的对外功能，主要是通过各种输入/输出模组与外界联系的，按 I/O 点数确定模组规格及数量，I/O 模组可多可少，但其最大数受CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O 模组集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入单元是用来连结撷取输入元件的信号动作并透过内部总线将资料送进内存由 CPU 处理驱动程序指令部分。PLC 输入模组 PLC 系统的架构和输入模组产品的选择端视需要被监测的输入信号位准而定。来自不同类型被监测的传感器与流程控制之变量信号，可以涵盖从10mV 至10V 的输入信号范围。输出单元是用
35、来驱动外部负载的接口，主要原理是由 CPU 处理以书写在 PLC 里的程序指令，判断驱动输出单元在进而控制外部负载，如指示灯、电磁接触器、继电器、气（油）压阀等。PLC 输出模组在工业环境中用来控制制动器、气阀及马达等的PLC 系统模拟输出范围包括5V、10V、0V 到 5V、0V 到 10V、4 到 20mA、或 0到 20mA 等。 f、通信：现在 PLC 大多具有可扩充通信网络模组的功能，简单的 PLC 以 BUS缆线或 RS-232 方式通讯连结，较高阶的 PLC 会采用 USB 或以太网路方式做通讯连结。它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与个人电脑以及其他智慧设备之间能够交换资
36、讯，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的 PLC 新产品都有通信网络功能，它和电脑一样具有 RS-232 接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换资讯。当然，PLC 之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC 与电脑之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协定靠近，这将使不同机型的 PLC 之间、PLC 与电脑之间可以方便地进行通讯与网络。PLC 通讯协定规格可分为 RS-232、RS-422、RS-432、RS-485、 IEEE 1394、IEEE-488（GPIB） ，其中 RS-432 最为少见。目前国际中最常用的通信协定为 MOD
37、BUS-ASII 模式及 MODBUS-RTU 模式，此为 MODCON 公司所制定的通讯协定。PROFIBUS 则为西门子公司所制定。日本三菱公司则推出 CC-LINK 通信协定。由于具有使用容易，节省配线人力，设计弹性等优点，已广泛的应用于各种控制系统中，在工厂自动化控制中担任核心控制任务。目前市面上之 PLC 种类繁多，依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异，但是每种厂牌可依机组复杂度分为大、中、小型;而一般工厂及学校通常使用小型 PLC，在工业用途通常使用大型 PLC。目前虽最大规模和超大规模集成电路和微电子技术的发展，PLC 已由最初的1 位机发展到现在的以 16 位和 32 位微处
38、理器构成的微机化 PC，而且实现了多处理器的多通道处理，如今，PLC 技术已经非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，变成和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理及图像显示的发展，使 PLC 向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产纸动画的一大支柱。现在，世界上有 200 多家 PLC 生产厂家，400 多品种的 PLC 产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 PLC 产品都有各自的特色。其中，美国是生产 PLC 的大国，有 100 多家 PLC 厂商，比如著名的 A-B 公司、通用电气公司、莫迪康公司。欧洲 P
39、LC 产品主要制造商有德国的西门子公司、AEG 公司。法国的 TE 公司。日本也有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等。而韩国有三星、LG 等。以上这些厂家的产品占有 80%以上的 PLC 市场份额。经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有 30 家，但国内 PLC 应用市场仍然以国外产品为主。随着 PLC 应用领域日益扩大，PLC 技术及其产品结构都在不断的改进，功能日益强大，性价比越来越高。PLC 将会有以下几个发展方向：在产品规模方面，向两级发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型 PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完
40、善的大型 PLC 方向发展。随着复杂控制系统的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对 PLC 的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器的容量也越来越大。向通信网络化发展。PLC 网络控制是当前控制系统和 PLC 技术发展的潮流。PLC 与 PLC 之间的联网通信、PLC 与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC 制造商都在发展自己的专用通信模块和通信软件以增强 PLC 的联网能力。各 PLC 制造商之间也在协商制定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。向模块化、智能化发展。为满足自动化各种控制系统的需要，近年来，
41、PLC厂家先后开发了许多新器件和模块，如智能 I/O 模块、温度控制模块和专门用于检测 PLC 外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了 PLC 的应用范围，还提高了系统的可靠性。编程语言和编程工具的多样化和标准化发展。多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC 软件进步的一种趋势。PLC 厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向 MAP（制造自动化协议）靠拢，使 PLC 的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。第 2 章搬运机械手工作原理2.1 搬运机械手的组成一个完整的搬运机械手通常由执行机构、
42、驱动-传动装置和控制系统三部分组成，如图 2.1 所示。图 2.1 搬运机械手的组成2.11 执行机构（1）手部：实现对工件的夹持动作的部分，与工件直接接触。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；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 较 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）臂部：手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用
43、是支撑手部，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） ，则用与手部连接的自由度加以实现。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。（3）基座：主要起固定机械手的作用。2.12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 。2.13控 制 系 统 分 类 ：在 机 械 手 的 控 制 上 ， 有 点
44、 动 控 制 和 连 续 控 制 两 种 方 式 。 有 插 销 板 点 位 控 制 ，可 编 程 序 控 制 器 控 制 ， 微 型 计 算 机 控 制 ， 还 有 采 用 凸 轮 、 磁 盘 磁 带 、 穿 孔 卡 等记 录 程 序 。 本 次 设 计 使 用 可 编 程 控 制 器 （ PLC） 进 行 控 制 。 主 要 控 制 的 是 坐标 位 置 ， 并 注 意 其 加 速 度 特 性 。2.2 搬运机械手的动作流程搬运机械手的动作流程如下所示：(1) 竖直下降 机械手升降电机正转，横轴下行至下限位，使手爪到达与源工作台上的工件水平的位置。(2) 夹紧 机械手电磁阀动作，手爪夹紧工
45、件。(3) 竖直上升 机械手升降电机反转，横轴上行至上限位，将工件提起。(4) 正向旋转 旋转电机正转，机械手旋转至要求位置。(5) 水平右移 机械手右移至右限位，使手爪及其所夹紧的工件到达目标工作台的正上方。(5) 竖直下降 机械手升降电机正转，横轴下行至下限位。(6) 松开 机械手电磁阀动作，手爪松开工件。(7) 竖直上升 机械手升降电机反转，横轴上行至上限位。(8) 水平左移 机械手横轴左移至左限位。(9) 反向旋转 旋转电机反转，机械手回到原点。至此，搬运机械手运行一个周期，其示意图如图 2.2 所示。左 限 位 夹 紧 松 开 右 限 位原 点 下降 上升 下降 上升左 限 位 开
46、关 右 限 位 开 关上限位开关下限位开关 上限位开关下限位开关正 向 旋 转逆 向 旋 转 平 移平 移图 2.2 搬运机械手动作示意图2.3 搬运机械手结构与驱动2.3.1 搬运机械手结构(1)坐标形式按坐标形式分类，机械手主要有直角坐标形、圆柱坐标形、球坐标形及关节形几大类。根据生产车间的实际布局和机械手的允许工作范围，这里采用了圆柱坐标形机械手。相对与其它几种机械手，这种机械手可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，且计算简单。圆柱坐标机械手主要由手部、臂部（横轴、竖轴） 、底座等组成。(2)自由度自由度是表示机械手动作灵活程度的参数，一般以沿轴线的移动和绕轴线转动的独立运动数来表示
47、(末端执行器的动作不包括在内)。自由度越多越灵活，但同时结构就越复杂，控制也越复杂 12。通常情况下机械手的自由度在 3-6 个之间。本文设计的搬运机械手自由度为 3 个，包括整机旋转、竖轴升降、横轴伸缩三个部分。(3)机械系统设计一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系、架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计当中，常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度
48、、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。搬运机械手的传动装置主要采用了滚珠丝杠、齿轮传动等传动方式，例如横轴伸缩传动机构、竖轴升降传动机构以滚珠丝杠传动形式为主；底盘旋转传动机构以齿轮传动形式为主。2.3.2 搬运机械手驱动驱动部分是搬运机械手系统的重要组成部分，搬运机械手的驱动方式可以分为以下几类:(1)气压驱动使用压力通常在 0.4-O.6MPa。气压驱动主要优点是气源方便(一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。气动驱动的缺点是功率质量小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高，适用于易燃
49、、易爆和灰尘大的场合。(2)液压驱动液压驱动系统用 2-15MPa 的油液驱动机械手，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有平率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器人轨迹重复性提高。液压驱动和缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力比较大，运动速度比较低的场合。(3)电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。电气驱动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式。（4）机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。第 3 章 搬运机械手整体方案设计工业机械手的运动控制器是控制技术与运动系统相结合的产物。在现代电子技术的支持下，它通常以微处理器为核心，综合编程软件、运动轨迹控制、控制算法分析、各运动部件的实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需要对具体的运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，
