毕业文
题 目： 基PLC物料搬运
机械手控制系统设计
学生姓名：
学生学号：
系 ： 电气信息工程学院
专 业： 动化
届 ：
指导教师：
基PLC物料机械搬运手动化控制系统设计
学生：
知道教师：
电气信息工程系
摘 机械手先进制造领域中扮演着极重角色搬运货物分拣物品代繁重劳动实现生产机械化动化害环境操作保护身安全广泛应
文观年机械手发展状况基础结合机械手方面设计机械手技术进行系统分析提出气动驱动PLC控制设计方案采整体化设计思想充分考虑软硬件特点进行互补优化物料分拣机械手整体结构执行结构驱动系统控制系统进行分析设计驱动系统中采气动驱动控制系统中选择PLC控制单元完成系统功初始化机械手移动障报警等功提出种简单易实现理意义明确控制策略
关键词 机械手气动控制编程控制器（PLC）动化控制物料分拣
Based on PLC material handling robot control system design
Student
Know the teacher
AbstractIn advanced manufacturing robot plays a very important role It can carry goods sorting items instead of human heavy labor Can realize the mechanization of manufacturing and automation can in harmful environment operation to protect the personal safety and so widely used
In this paper a review in recent years on development status of manipulator combined with the design of manipulator the technology of the manipulator system analysis and put forward the pneumatic drive and PLC control in the design The design idea of integration the full consideration of the characteristics of the software and hardware and complementary optimization For the material sorting the structure of the manipulator executive structure driving system and control system analysis and design In its drive system by pneumatic drive the choice in the control system of the control unit to complete PLC system function initialization the mobile manipulator fault alarm functions Finally puts forward a simple and easy to realize and theoretical significance specific control strategy
Key words manipulatorpneumatic controlthe programmable controller (PLC)automatic controlmaterial sorting
前言
机械手作前产品应动化设备更新时需量代单调复高精度需求工作先进制造领域中扮演着极重角色搬运货物分拣物品代
繁重劳动实现生产机械化动化高温腐蚀毒气体等环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工业原子等部门
着工业高速发展机械手作前产品应动化设备更新时需已工业生产中广泛应搬运货物分拣物品代繁重单调劳动实现生产机械化动化高温腐蚀毒气体等害环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工业原子等部门
编程控制器(PLC)中央处理器核心综合计算机动控制等先进技术具性高功完善组合灵活编程简单功耗低等优点已成目前机械手控制系统中控制方式PLC动控制系统具体积高障率低动作精度高等优点
适应工业需课题试图开发PLC物料分拣机械手控制助必精密传感器够颜色物料预先设定程序进行分拣动作灵活样适变换生产品种中批量动化生产广泛应柔性生产线采PLC控制种预先设定程序进行物料分拣动化装置部分代工高温危险作业区进行单调持久作业产品变化时需机械手进行新分配务时允许方便改动重新设计新部件位置改变时重新编程快投产降低安装转换工作费设计完成机械手硬件部分软件部分设计包括执行系统驱动系统控制系统设计
第1章 机械手研究发展
11 机械手国外现状发展趋势
机械手早应汽车制造工业常焊接喷漆料搬运机械手延伸扩手足脑功代事危险害毒低温高热等恶劣环境中工作代完成繁重单调重复劳动提高劳动生产率保证产品质量目前应制造业中特电器制造汽车制造塑料加工通机械制造金属加工等工业工业机械手数控加工中心动搬运车动检测系统组成柔性制造系统(FMS)计算机集成制造系统实现生产动化
目前国际机械手公司分日系欧系日系中安川OTC松FANLUC二越川崎等公司产品欧系中德国KUKACLOOS瑞典ABB意利C0毗U奥利工GM公司
国机械手起步20世纪70年代初期30年发展致历3阶段：70年代萌芽期80年代开发期90年代应化期国机械手市场份额部分国外机械手企业占着国正制造国制造强国迈进中国制造业面着国际接轨参国际分工巨挑战国工业动化提高迫眉睫政府务必会加机器资金投入政策支持会机械手产业发展注入新动力
着机械手发展深度广度机器智水提高机械手已众领域应传统汽车制造领域非制造领域延伸采矿机器建筑业机器水电系统维护维修机器等国防军事医疗卫生食品加工生活服务等领域机械手应越越
未年传感技术激光技术工程网络技术会广泛应机械手工作领域技术会机械手应更高效高质运行成低猜测机器医疗保健生物技术产业教育救灾海洋开发机器维修交通运输农业水产等领域应
12 研究容
着机械手技术飞速发展机械手应领域断深化仅求控制
性强灵活性高操作灵活性成低开发济性强文研究物料分拣机械手方面容：
(1) 物料分拣机械手执行系统分析选择
执行系统传动部件机械构件组成机械手赖实现种运动实体包括机身手臂末端执行器3部分组成中部分具干度执行系统设计机械手手部手臂机座进行设计
(2) 物料分拣机械手驱动系统分析选择
驱动系统执行系统部分提供动力装置通液压气压电气三种驱动方式较设计选择气压驱动方式容包括气动元件选择工作原理气动回路设计气动原理图绘制
(3) 物料分拣机械手控制系统设计
控制系统机械手指挥系统控制驱动系统执行系统规定求时序进行工作机械手采编程控制器（PLC）机械手进行控制包括PLC型号选择传感器类型进行选择IO口选择控制系统原理图动程序梯形图绘制等容
13 解决关键问题
1 解决机械手机械结构设计问题求机械手结构简单济具定代表性
2 执行部件运动精度问题
3 机械手控制系统包括控制系统电路控制程序解决工件控制 系统协调问题
4 元件匹配规知识获取表达形式
5 传感器类型选择
第二章 执行系统分析选择
机器手执行结构机械手赖实现种运动实体执行机构布局类型直接影响机械手工作性
21 执行机构坐标形式选择
机械手基型式较手臂坐标型式言四种基型式：直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式面型式机械手作简单分析：
1直角坐标式机械手
直角坐标式机械手适合工作位置成行排列传送带配合种机械手手臂作伸缩左右移动直角坐标形式XYZ三方直线进行运动
工作范围直线运动两直线运动三直线运动XYZ三直线运动方具ABC三回转运动构成六度
直角坐标式机械手优点：
（1） 产量节拍短满足高速求
（2） 容易生产线传送带加工装配机械相配合
（3） 适装箱类工序复杂工作定位容易变更
（4） 定位精度高载重发生变化回影响精度
（5） 易实行数控开环闭环数控机械配合
缺点：机械手作业范围较
2圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手应种型式适搬运测量工件具直观性结构简单体占空间较动作范围较等优点
圆柱坐标式机械手工作范围分：旋转运动直线运动加直线运动面旋转运动二直线运动加旋转运动
圆柱坐标式机械手五基动作：
（1） 手臂水回转
（2） 手臂伸缩
（3） 手臂
（4） 手臂回转动作
（5） 手爪夹紧动作
圆柱式机械手特点垂直导柱装滑动套筒手臂装滑动套筒手臂做直线运动水面做圆弧状左右摆动
3球坐标式机械手
球坐标式机械手种度较途较广机械手工作范围包括：旋转运动二旋转运动二旋转运动加直线运动
球坐标式机械手实现八动作：
（1） 手臂动作俯仰动作
（2） 手臂左右动作回转动作
（3） 手臂前动作伸缩动作
（4） 手腕弯曲
（5） 手腕左右摆动
（6） 手腕旋转运动
（7） 手爪夹紧动作
（8） 机械手整体移动
球坐标式机械手特点手臂装枢轴枢轴装叉形架垂直面作圆弧状俯仰动作臂作伸缩横水摆动摆动工作范围手类似特点动选择合理动作路线工作效率高外摆动相体积动作范围
4关节式机械手
关节式机械手种适机体操作传动型式手样肘关节实现度动作较灵活适狭窄空间工作关节式机械手早四十年代原子工业中应开发海洋中应定发展前途
关节式机械手臂臂摆动肘关节肩关节运动具肢结构实现似手操作机具似手操作机需研制合适结构
机械手型式选择首先满足运动求方面进行考虑 然机械手复杂程度济情况等方面考虑设计中机械手动作机械手手臂左右移动升降移动机械手整体旋转
直角坐标式机械手然具备手臂伸缩左右直线运动等动作具备机械手整体旋转动作考虑直角坐标式机械手
球坐标式机械手关节式机械手动作求方面足够满足求结构较复杂动作必显浪费增加制造成难度
圆柱坐标式机械手满足手臂伸缩手臂手臂回转动等动作手臂回转动作改换成机械手整体转动满足设计中机械手动作求样修改没改变机械手总体结构进行局部变动整系统济实惠确定圆柱坐标式机械手
22 执行机构组成
工业机械手执行系统机械部分组成：
（1） 手部 机械手直接握持工件工具部分
（2） 臂部 机械手支持腕部手部实现较运动范围部件
（3） 立柱 支承手臂带动升降摆动移动机构
（4） 机座 机械手支撑臂部安装驱动装置装置部分
23 执行机构工作原理
物料分拣机械手结构机座立柱水手臂垂直手臂电磁阀吸盘等组成中机座采摆动气缸进行驱动手臂吸盘采单活塞杆双作气缸驱动机械手动作基伸缩升降左右旋转吸物放物等动作结构原理图22示动作序：初始位置→A右旋→B前伸→C气缸降→D吸物料→C升→B收缩→A左旋→C气缸降→D放物料→C升→回初始位置机械手动作整程中连续循环
24 执行机构简图
根前面机械手部分设计做出机械手体结构简图图21示
1右旋限位开关 2 左旋限位开关 3 回缩限位开关
4 前伸限位开关 5 升限位开关 6 降限位开关
A 摆动气缸 B前伸回缩气缸 C升降气缸 D 真空吸盘
图21 执行机构简图
第3章 驱动系统分析选择
机械手驱动系统驱动执行机构运动传动装置机械手驱动系统根动力源分液压气压电气机械气液联合电液联合等种方式目前采液压气压电气三种驱动方式
31 驱动系统分析选择
液压驱动功率重量实现频繁稳变速换容易实现载保护行润滑寿命长存油液容易泄露污染环境需配备油源成较高工作噪声较
电气驱动控制精度高驱动力较响应快信号检测传递处理方便种驱动方式价格昂贵限制场合应寻求济适驱动方式
气压驱动具价格低廉结构简单功率体积高污染抗干扰性强工业机械手中应较方面气动技术作廉价动化技术元器件性断提高生产成断降低广泛应现代化工业生产领域
32 机械手驱动系统控制设计
根物料分拣机械手求驱动系统中气缸运动方式两种：（1）直线运动（缸体固定活塞杆运动）（2）摆动（缸体固定）气动系统包括三三位四通电磁换阀两二位二通电磁阀三气缸吸盘四调速阀六单调速阀消声器（干）等图中调速阀控制气缸升降伸长缩短摆动程中速度防止速度物料机械手臂击三位四通电磁换阀改变气缸运动方真空发生器工作原理利气体喷射产生真空吸附物料功实现物料吸取释放真空发生器动作二位二通电磁阀控制
第四章 控制系统分析设计
机械手控制系统设计整机械手设计关键核心结构功合理划分巧妙实现提高机械手整体性实性具重意义时降低制造成缩短开发周期效途径章分析前机械手广泛采控制器结构PLC发展提出采PLC控制方法
41 控制系统组成结构
机械手控制系统般机械手运动协调目包括高性计算机相应系统硬件控制软件
机械手控制部分分4部分：机械手感知器环境务控制器
控制系统硬件般包括3部分：
(1) 感知部分 收集机械手部外部信息位置速度加速度传感器接受机械手体状态视觉触觉力觉等传感器感受机械手工作环境外部状态
(2) 控制装置 处理种信息完成控制程产生必控制指令包括计算机相应接口等
(3) 驱动部分 机械手完成操作移动功机械手关节选气动液动电气等方式驱动
42 控制系统性求
般控制系统控制求：
(1) 稳定性 稳定性系统受短暂扰动运动性偏离衡点恢复原衡点状态力稳定性般动控制必须满足基求稳定性研究动化控制系统中基问题
(2) 渡程性 描述渡程性衡性快速性加衡量衡性指系统初始状态运动新衡状态时具较超调震荡性系统初始状态运动新衡状态历时间表示系统渡程快速程度
(3) 稳态误差 稳态误差渡程结束期稳态输出量实际稳态输出量差控制系统稳态误差越说明控制精度越高稳态误差衡量控制系统性坏项重指标控制系统设计务兼顾性指标情况稳态误差者某允许限制值
43 传感器选择
传感器检测象种物理变化量变电信号种变换器检测系统身作业象作业环境状态效控制系统动作提供信息
根设计求需位置检测装置滑觉传感器视觉传感器进行选位置检测装置检测机械手动作否位滑觉传感器判物料否稳定吸住视觉传感器完成机械手物料识
431 位置检测装置
设计中机械手执行左旋右旋前伸回缩升降等动作时应相应位置检测装置检测动作否位常位置检测装置行程开关行程开关称限位开关种根运动部件行程位置切换电路电器控制机械设备行程限位保护实际生产中行程开关安装预先安排位置装生产机械运动部件模块撞击行程开关时行程开关触点动作实现电路切换行程开关结构分直动式滚轮式微动式组合式
432 滑觉传感器
机械手吸取物体时吸力分硬吸取软吸取硬吸取吸盘吸力吸取物体保证性软吸取方式吸盘吸力保持稳固吸取物体值避免损伤物件软吸取时吸力够时吸物体会产生滑动滑觉传感器检测滑动设计检测垂直吸物方物体位移重力引起变形达修正吸力防止吸取物滑动滑动传感器检测物体接触面直接相运动方判断否吸住物体应吸力等
433 视觉传感器
机械手视觉作程度模仿眼睛够物体进行识机械手采颜色传感器根物料颜色针种颜色物料进行拣出
目前颜色识传感器两种基类型：（1）色标传感器白炽灯光源单色LED光源（2）RGB（红绿蓝）颜色传感器检测物体三基色反射率鉴物体颜色类装置许温反射型光束型光纤型封装种金属聚碳酸脂外壳中典型输出：NPNPNP继电器模拟输出
44 控制系统PLC选型控制原理
441 PLC种类型号选择
PLC种类较西门子三菱OMRONFANAC东芝等配套生产中微型均配套目前广泛西门子三菱OMRONPLC根前面确定PLC点数：实际输入点28点实际输出点12点综合三菱FX系列（包括FX0SFX1SFX0NFX1NFX2N等）西门子系列OMRON系列中IO点数48点型号PLC价格性实场合等方面系统选择PLC型号：FX2N—64MR—001合计总数64点—32点输入DC24V32点继电器输出尺寸（mm）：220×87×90性价格优PLC
FX2N系列FX系列PLC家族中先进系列范围包容标准特点程式执行更快全面补充通讯功适合世界国电源满足单需量特殊功模块工厂动化控制应提供灵活性控制力
该型号PLC32输入节点32输出节点够满足系统求留定余量
442 IO点数分配
根机械手动作流程分析IO点数确定确定电气控制系统IO点分配
表41示：
表41 机械手控制输入点分配表
输入设备
输入点号
输入设备
输入点号
启动钮SB1
X000
手动降钮SB6
X016
停止钮SB2
X001
手动左旋钮SB7
X017
急停钮SB3
X002
手动右旋钮SB8
X020
左旋极限传感器ST2
X003
手动伸出钮SB9
X021
右旋极限传感器ST3
X004
手动缩回钮SB10
X022
升限位传感器ST4
X005
手动吸气钮SB11
X023
降限位传感器ST5
X006
手动放气钮SB12
X024
手臂缩回限位传感器ST6
X007
超升限位传感器ST8
X025
手臂伸出限位传感器ST7
X010
超降限位传感器ST9
X026
工件检测传感器PS1
X011
超左旋限位传感器ST10
X027
手动
SA
X012
超右旋限位传感器ST11
X030
动
X013
超伸出限位传感器ST12
X031
复位钮SB4
X014
超缩回限位传感器ST13
X032
手动升钮SB5
X015
443 机械手控制原理
PLC控制执行机构实现手动动等种工作方式手动：利钮机械手动作手动进行控制实现升降前伸缩回正转反转吸物放物等操作动：循环钮机械手原点位置开始连续断执行分拣物料步
启动钮SB1系统初始化→摆动气缸右旋→水手臂伸出→垂直手臂降→吸物→垂直手臂升→水手臂缩回→摆动气缸左旋→垂直手臂降→放物→垂直手臂升→回初始位置
(1) 系统程序初始化
启动钮SB1控制系统进行功检测检测正确进入控制系统软件开始运行程序
(2) 摆动气缸右旋
初始化程序正常运行PLC输入端X000接通输入输出端Y001输出右旋钮SB8接通三位四通电磁换阀125YA电摆动气缸会执行右旋命令
(3) 水手臂伸出
摆动气缸右旋指定位置时（90度）PLC输入端X004接通输入输出端Y003输出手臂前伸钮SB9接通三位四通电磁换阀101YA电执行手臂前伸动作
(4) 垂直手臂降
手臂前伸指定位置PLC输入端X010接通输入输出端Y005输出臂降钮SB6接通三位四通电磁换阀113YA电执行垂直手臂降动作
(5) 吸物
臂降指定位置PLC输入端X006接通输入输出端Y006输出吸盘吸气钮SB11接通二位二通电磁阀137YA电真空发生器22开始动作真空吸盘26物料吸起
(6) 垂直手臂升
滑觉传感器检测物料已吸起时输出端Y004输出臂升钮SB5接通三位四通电磁阀11电磁铁4YA电执行垂直手臂升动作
(7) 水手臂回缩
臂升指定位置PLC输入端X005接通输入输出端Y002输出水缩回钮SB10接通三位四通电磁换阀10电磁铁2YA电执行水
手臂回缩动作
(8) 摆动气缸左旋
水手臂回缩指定位置PLC输入端X007接通输入输出端Y000输出左旋钮SB7接通三位四通电磁阀12电磁铁6YA电执行摆动气缸左旋转
(9) 垂直手臂降
摆动气缸左旋转指定位置（90度）PLC输入端X003接通输入输出端Y005输出垂直手臂降钮SB6接通三位四通电磁阀11电磁铁3YA电执行臂降运动
(10) 放物
臂降指定位置PLC输入端X006接通输入输出端Y007输出吸盘放气钮SB12接通真空发生器停止工作真空消失压缩空气进入真空吸盘物料吸盘吹开
(11) 臂升
滑觉传感器检测物料已放开输出端Y004输出臂升钮SB5接通三位四通电磁换阀10电磁铁2YA电执行臂升动作
(12) 回初始位置
臂升指定位置PLC输入端X005接通输入动重复动作
45 PLC程序设计
451 总体程序框图
设备手动动两种工作方式控制程序分动控制程序手动控制程序两模块模块程序分开编写结构清晰便调试修改
进行编程前应先绘制出整控制程序结构框图图42示该结构图中操作方式选择开关置手动时输入点X012接通执行手动程序操作方式选择开关置动时输入点X013接通执行动程序
图42 控制程序结构框图
方便操作应设计机械手操作面板机械手操作面板图43示
图43 机械手操作面板
452 手动控制程序
手动控制程序实现机械手升降伸缩左右旋转吸气放气复位运动动工作程中手动动转换开关手动位置时输入X012接通系统进入手动控制方式状态时相应受动钮实现手动升降左旋右旋伸出缩回吸气放气复位动作手动操作程序图44示
图44 手动操作程序
453 动控制程序
分析知动工作方式机械手运动开关量作转移信号设计工艺流程步步进行工作控制程序循环控制机械手完成次物料吸放务返回原位务做准备动控制状态转移图图45示
图45动控制状态转移图
根动控制状态转移图设计出动控制步进梯形图图46示
图46 动控制步进梯形图 (序)
第5章 结
机械手出现延伸扩手足脑功代事危险害毒低温高热等恶劣环境中工作代完成繁重单调重复劳动提高劳动生产率保证产品质量着科学技术发展PLC工业生产程中广泛应机械手技术方面研究断创新促成果断涌现
文设计取成果：
(1) 物料分拣机械手结构形式驱动装置控制系统等组成部分进行较全面分析出总体设计方案
(2) 气动驱动系统强非线性系统根原空气具压缩性系统中存流量饱效应非线性摩擦力等素实现气缸精度定位非常困难应中参数进行调定达较理想状态
(3) 机械手控制系统采技术性性非常高PLC进行控制机械设备更加灵活动作准确易维护劳动生产率提高种操作方式切换满足种生产求
课题完成机械结构设计基础物料分拣机械手驱动系统控制系统进行设计时间限制机械手结构较复杂问题需进步研究：
(1) 机械手部分连接方式改进
机械手结构具模块式特点考虑节约成等素采标准单活塞杆双作气缸加导装置结构部分实现意方式拼装通种渡连接件部分拼装
(2) 气动驱动改进
气动驱动系统方面存固弱点仅采古典反馈控制难高精度位置力等控制气动驱动系统控制方法广泛引入现代控制理智慧控制等方法特征然尚未解决问题继续研究相信PLC控制物料分拣机械手研究非常新意意义着广泛应前景
致 谢
四年学匆匆毕业设计四年学体现历半年努力次毕业设计结束设计程中慢慢学逐渐巩固学学知识期间艰苦辛酸欣喜快乐
设计利完成首先感谢指导老师文写作程中导师许许帮助XX老师学识渊博治学严谨仅学扎实专业知识学处事道理感谢答辩组位老师答辩程中位老师设计提出意见建议意识诸足社会生活奠定良基础
参考文献
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题 目： 基PLC物料搬运
机械手控制系统设计
学生姓名：
学生学号：
系 ： 电气信息工程学院
专 业： 动化
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指导教师：
基PLC物料机械搬运手动化控制系统设计
学生：
知道教师：
电气信息工程系
摘 机械手先进制造领域中扮演着极重角色搬运货物分拣物品代繁重劳动实现生产机械化动化害环境操作保护身安全广泛应
文观年机械手发展状况基础结合机械手方面设计机械手技术进行系统分析提出气动驱动PLC控制设计方案采整体化设计思想充分考虑软硬件特点进行互补优化物料分拣机械手整体结构执行结构驱动系统控制系统进行分析设计驱动系统中采气动驱动控制系统中选择PLC控制单元完成系统功初始化机械手移动障报警等功提出种简单易实现理意义明确控制策略
关键词 机械手气动控制编程控制器（PLC）动化控制物料分拣
Based on PLC material handling robot control system design
Student
Know the teacher
AbstractIn advanced manufacturing robot plays a very important role It can carry goods sorting items instead of human heavy labor Can realize the mechanization of manufacturing and automation can in harmful environment operation to protect the personal safety and so widely used
In this paper a review in recent years on development status of manipulator combined with the design of manipulator the technology of the manipulator system analysis and put forward the pneumatic drive and PLC control in the design The design idea of integration the full consideration of the characteristics of the software and hardware and complementary optimization For the material sorting the structure of the manipulator executive structure driving system and control system analysis and design In its drive system by pneumatic drive the choice in the control system of the control unit to complete PLC system function initialization the mobile manipulator fault alarm functions Finally puts forward a simple and easy to realize and theoretical significance specific control strategy
Key words manipulatorpneumatic controlthe programmable controller (PLC)automatic controlmaterial sorting
前言
机械手作前产品应动化设备更新时需量代单调复高精度需求工作先进制造领域中扮演着极重角色搬运货物分拣物品代
繁重劳动实现生产机械化动化高温腐蚀毒气体等环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工业原子等部门
着工业高速发展机械手作前产品应动化设备更新时需已工业生产中广泛应搬运货物分拣物品代繁重单调劳动实现生产机械化动化高温腐蚀毒气体等害环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工业原子等部门
编程控制器(PLC)中央处理器核心综合计算机动控制等先进技术具性高功完善组合灵活编程简单功耗低等优点已成目前机械手控制系统中控制方式PLC动控制系统具体积高障率低动作精度高等优点
适应工业需课题试图开发PLC物料分拣机械手控制助必精密传感器够颜色物料预先设定程序进行分拣动作灵活样适变换生产品种中批量动化生产广泛应柔性生产线采PLC控制种预先设定程序进行物料分拣动化装置部分代工高温危险作业区进行单调持久作业产品变化时需机械手进行新分配务时允许方便改动重新设计新部件位置改变时重新编程快投产降低安装转换工作费设计完成机械手硬件部分软件部分设计包括执行系统驱动系统控制系统设计
第1章 机械手研究发展
11 机械手国外现状发展趋势
机械手早应汽车制造工业常焊接喷漆料搬运机械手延伸扩手足脑功代事危险害毒低温高热等恶劣环境中工作代完成繁重单调重复劳动提高劳动生产率保证产品质量目前应制造业中特电器制造汽车制造塑料加工通机械制造金属加工等工业工业机械手数控加工中心动搬运车动检测系统组成柔性制造系统(FMS)计算机集成制造系统实现生产动化
目前国际机械手公司分日系欧系日系中安川OTC松FANLUC二越川崎等公司产品欧系中德国KUKACLOOS瑞典ABB意利C0毗U奥利工GM公司
国机械手起步20世纪70年代初期30年发展致历3阶段：70年代萌芽期80年代开发期90年代应化期国机械手市场份额部分国外机械手企业占着国正制造国制造强国迈进中国制造业面着国际接轨参国际分工巨挑战国工业动化提高迫眉睫政府务必会加机器资金投入政策支持会机械手产业发展注入新动力
着机械手发展深度广度机器智水提高机械手已众领域应传统汽车制造领域非制造领域延伸采矿机器建筑业机器水电系统维护维修机器等国防军事医疗卫生食品加工生活服务等领域机械手应越越
未年传感技术激光技术工程网络技术会广泛应机械手工作领域技术会机械手应更高效高质运行成低猜测机器医疗保健生物技术产业教育救灾海洋开发机器维修交通运输农业水产等领域应
12 研究容
着机械手技术飞速发展机械手应领域断深化仅求控制
性强灵活性高操作灵活性成低开发济性强文研究物料分拣机械手方面容：
(1) 物料分拣机械手执行系统分析选择
执行系统传动部件机械构件组成机械手赖实现种运动实体包括机身手臂末端执行器3部分组成中部分具干度执行系统设计机械手手部手臂机座进行设计
(2) 物料分拣机械手驱动系统分析选择
驱动系统执行系统部分提供动力装置通液压气压电气三种驱动方式较设计选择气压驱动方式容包括气动元件选择工作原理气动回路设计气动原理图绘制
(3) 物料分拣机械手控制系统设计
控制系统机械手指挥系统控制驱动系统执行系统规定求时序进行工作机械手采编程控制器（PLC）机械手进行控制包括PLC型号选择传感器类型进行选择IO口选择控制系统原理图动程序梯形图绘制等容
13 解决关键问题
1 解决机械手机械结构设计问题求机械手结构简单济具定代表性
2 执行部件运动精度问题
3 机械手控制系统包括控制系统电路控制程序解决工件控制 系统协调问题
4 元件匹配规知识获取表达形式
5 传感器类型选择
第二章 执行系统分析选择
机器手执行结构机械手赖实现种运动实体执行机构布局类型直接影响机械手工作性
21 执行机构坐标形式选择
机械手基型式较手臂坐标型式言四种基型式：直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式面型式机械手作简单分析：
1直角坐标式机械手
直角坐标式机械手适合工作位置成行排列传送带配合种机械手手臂作伸缩左右移动直角坐标形式XYZ三方直线进行运动
工作范围直线运动两直线运动三直线运动XYZ三直线运动方具ABC三回转运动构成六度
直角坐标式机械手优点：
（1） 产量节拍短满足高速求
（2） 容易生产线传送带加工装配机械相配合
（3） 适装箱类工序复杂工作定位容易变更
（4） 定位精度高载重发生变化回影响精度
（5） 易实行数控开环闭环数控机械配合
缺点：机械手作业范围较
2圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手应种型式适搬运测量工件具直观性结构简单体占空间较动作范围较等优点
圆柱坐标式机械手工作范围分：旋转运动直线运动加直线运动面旋转运动二直线运动加旋转运动
圆柱坐标式机械手五基动作：
（1） 手臂水回转
（2） 手臂伸缩
（3） 手臂
（4） 手臂回转动作
（5） 手爪夹紧动作
圆柱式机械手特点垂直导柱装滑动套筒手臂装滑动套筒手臂做直线运动水面做圆弧状左右摆动
3球坐标式机械手
球坐标式机械手种度较途较广机械手工作范围包括：旋转运动二旋转运动二旋转运动加直线运动
球坐标式机械手实现八动作：
（1） 手臂动作俯仰动作
（2） 手臂左右动作回转动作
（3） 手臂前动作伸缩动作
（4） 手腕弯曲
（5） 手腕左右摆动
（6） 手腕旋转运动
（7） 手爪夹紧动作
（8） 机械手整体移动
球坐标式机械手特点手臂装枢轴枢轴装叉形架垂直面作圆弧状俯仰动作臂作伸缩横水摆动摆动工作范围手类似特点动选择合理动作路线工作效率高外摆动相体积动作范围
4关节式机械手
关节式机械手种适机体操作传动型式手样肘关节实现度动作较灵活适狭窄空间工作关节式机械手早四十年代原子工业中应开发海洋中应定发展前途
关节式机械手臂臂摆动肘关节肩关节运动具肢结构实现似手操作机具似手操作机需研制合适结构
机械手型式选择首先满足运动求方面进行考虑 然机械手复杂程度济情况等方面考虑设计中机械手动作机械手手臂左右移动升降移动机械手整体旋转
直角坐标式机械手然具备手臂伸缩左右直线运动等动作具备机械手整体旋转动作考虑直角坐标式机械手
球坐标式机械手关节式机械手动作求方面足够满足求结构较复杂动作必显浪费增加制造成难度
圆柱坐标式机械手满足手臂伸缩手臂手臂回转动等动作手臂回转动作改换成机械手整体转动满足设计中机械手动作求样修改没改变机械手总体结构进行局部变动整系统济实惠确定圆柱坐标式机械手
22 执行机构组成
工业机械手执行系统机械部分组成：
（1） 手部 机械手直接握持工件工具部分
（2） 臂部 机械手支持腕部手部实现较运动范围部件
（3） 立柱 支承手臂带动升降摆动移动机构
（4） 机座 机械手支撑臂部安装驱动装置装置部分
23 执行机构工作原理
物料分拣机械手结构机座立柱水手臂垂直手臂电磁阀吸盘等组成中机座采摆动气缸进行驱动手臂吸盘采单活塞杆双作气缸驱动机械手动作基伸缩升降左右旋转吸物放物等动作结构原理图22示动作序：初始位置→A右旋→B前伸→C气缸降→D吸物料→C升→B收缩→A左旋→C气缸降→D放物料→C升→回初始位置机械手动作整程中连续循环
24 执行机构简图
根前面机械手部分设计做出机械手体结构简图图21示
1右旋限位开关 2 左旋限位开关 3 回缩限位开关
4 前伸限位开关 5 升限位开关 6 降限位开关
A 摆动气缸 B前伸回缩气缸 C升降气缸 D 真空吸盘
图21 执行机构简图
第3章 驱动系统分析选择
机械手驱动系统驱动执行机构运动传动装置机械手驱动系统根动力源分液压气压电气机械气液联合电液联合等种方式目前采液压气压电气三种驱动方式
31 驱动系统分析选择
液压驱动功率重量实现频繁稳变速换容易实现载保护行润滑寿命长存油液容易泄露污染环境需配备油源成较高工作噪声较
电气驱动控制精度高驱动力较响应快信号检测传递处理方便种驱动方式价格昂贵限制场合应寻求济适驱动方式
气压驱动具价格低廉结构简单功率体积高污染抗干扰性强工业机械手中应较方面气动技术作廉价动化技术元器件性断提高生产成断降低广泛应现代化工业生产领域
32 机械手驱动系统控制设计
根物料分拣机械手求驱动系统中气缸运动方式两种：（1）直线运动（缸体固定活塞杆运动）（2）摆动（缸体固定）气动系统包括三三位四通电磁换阀两二位二通电磁阀三气缸吸盘四调速阀六单调速阀消声器（干）等图中调速阀控制气缸升降伸长缩短摆动程中速度防止速度物料机械手臂击三位四通电磁换阀改变气缸运动方真空发生器工作原理利气体喷射产生真空吸附物料功实现物料吸取释放真空发生器动作二位二通电磁阀控制
第四章 控制系统分析设计
机械手控制系统设计整机械手设计关键核心结构功合理划分巧妙实现提高机械手整体性实性具重意义时降低制造成缩短开发周期效途径章分析前机械手广泛采控制器结构PLC发展提出采PLC控制方法
41 控制系统组成结构
机械手控制系统般机械手运动协调目包括高性计算机相应系统硬件控制软件
机械手控制部分分4部分：机械手感知器环境务控制器
控制系统硬件般包括3部分：
(1) 感知部分 收集机械手部外部信息位置速度加速度传感器接受机械手体状态视觉触觉力觉等传感器感受机械手工作环境外部状态
(2) 控制装置 处理种信息完成控制程产生必控制指令包括计算机相应接口等
(3) 驱动部分 机械手完成操作移动功机械手关节选气动液动电气等方式驱动
42 控制系统性求
般控制系统控制求：
(1) 稳定性 稳定性系统受短暂扰动运动性偏离衡点恢复原衡点状态力稳定性般动控制必须满足基求稳定性研究动化控制系统中基问题
(2) 渡程性 描述渡程性衡性快速性加衡量衡性指系统初始状态运动新衡状态时具较超调震荡性系统初始状态运动新衡状态历时间表示系统渡程快速程度
(3) 稳态误差 稳态误差渡程结束期稳态输出量实际稳态输出量差控制系统稳态误差越说明控制精度越高稳态误差衡量控制系统性坏项重指标控制系统设计务兼顾性指标情况稳态误差者某允许限制值
43 传感器选择
传感器检测象种物理变化量变电信号种变换器检测系统身作业象作业环境状态效控制系统动作提供信息
根设计求需位置检测装置滑觉传感器视觉传感器进行选位置检测装置检测机械手动作否位滑觉传感器判物料否稳定吸住视觉传感器完成机械手物料识
431 位置检测装置
设计中机械手执行左旋右旋前伸回缩升降等动作时应相应位置检测装置检测动作否位常位置检测装置行程开关行程开关称限位开关种根运动部件行程位置切换电路电器控制机械设备行程限位保护实际生产中行程开关安装预先安排位置装生产机械运动部件模块撞击行程开关时行程开关触点动作实现电路切换行程开关结构分直动式滚轮式微动式组合式
432 滑觉传感器
机械手吸取物体时吸力分硬吸取软吸取硬吸取吸盘吸力吸取物体保证性软吸取方式吸盘吸力保持稳固吸取物体值避免损伤物件软吸取时吸力够时吸物体会产生滑动滑觉传感器检测滑动设计检测垂直吸物方物体位移重力引起变形达修正吸力防止吸取物滑动滑动传感器检测物体接触面直接相运动方判断否吸住物体应吸力等
433 视觉传感器
机械手视觉作程度模仿眼睛够物体进行识机械手采颜色传感器根物料颜色针种颜色物料进行拣出
目前颜色识传感器两种基类型：（1）色标传感器白炽灯光源单色LED光源（2）RGB（红绿蓝）颜色传感器检测物体三基色反射率鉴物体颜色类装置许温反射型光束型光纤型封装种金属聚碳酸脂外壳中典型输出：NPNPNP继电器模拟输出
44 控制系统PLC选型控制原理
441 PLC种类型号选择
PLC种类较西门子三菱OMRONFANAC东芝等配套生产中微型均配套目前广泛西门子三菱OMRONPLC根前面确定PLC点数：实际输入点28点实际输出点12点综合三菱FX系列（包括FX0SFX1SFX0NFX1NFX2N等）西门子系列OMRON系列中IO点数48点型号PLC价格性实场合等方面系统选择PLC型号：FX2N—64MR—001合计总数64点—32点输入DC24V32点继电器输出尺寸（mm）：220×87×90性价格优PLC
FX2N系列FX系列PLC家族中先进系列范围包容标准特点程式执行更快全面补充通讯功适合世界国电源满足单需量特殊功模块工厂动化控制应提供灵活性控制力
该型号PLC32输入节点32输出节点够满足系统求留定余量
442 IO点数分配
根机械手动作流程分析IO点数确定确定电气控制系统IO点分配
表41示：
表41 机械手控制输入点分配表
输入设备
输入点号
输入设备
输入点号
启动钮SB1
X000
手动降钮SB6
X016
停止钮SB2
X001
手动左旋钮SB7
X017
急停钮SB3
X002
手动右旋钮SB8
X020
左旋极限传感器ST2
X003
手动伸出钮SB9
X021
右旋极限传感器ST3
X004
手动缩回钮SB10
X022
升限位传感器ST4
X005
手动吸气钮SB11
X023
降限位传感器ST5
X006
手动放气钮SB12
X024
手臂缩回限位传感器ST6
X007
超升限位传感器ST8
X025
手臂伸出限位传感器ST7
X010
超降限位传感器ST9
X026
工件检测传感器PS1
X011
超左旋限位传感器ST10
X027
手动
SA
X012
超右旋限位传感器ST11
X030
动
X013
超伸出限位传感器ST12
X031
复位钮SB4
X014
超缩回限位传感器ST13
X032
手动升钮SB5
X015
443 机械手控制原理
PLC控制执行机构实现手动动等种工作方式手动：利钮机械手动作手动进行控制实现升降前伸缩回正转反转吸物放物等操作动：循环钮机械手原点位置开始连续断执行分拣物料步
启动钮SB1系统初始化→摆动气缸右旋→水手臂伸出→垂直手臂降→吸物→垂直手臂升→水手臂缩回→摆动气缸左旋→垂直手臂降→放物→垂直手臂升→回初始位置
(1) 系统程序初始化
启动钮SB1控制系统进行功检测检测正确进入控制系统软件开始运行程序
(2) 摆动气缸右旋
初始化程序正常运行PLC输入端X000接通输入输出端Y001输出右旋钮SB8接通三位四通电磁换阀125YA电摆动气缸会执行右旋命令
(3) 水手臂伸出
摆动气缸右旋指定位置时（90度）PLC输入端X004接通输入输出端Y003输出手臂前伸钮SB9接通三位四通电磁换阀101YA电执行手臂前伸动作
(4) 垂直手臂降
手臂前伸指定位置PLC输入端X010接通输入输出端Y005输出臂降钮SB6接通三位四通电磁换阀113YA电执行垂直手臂降动作
(5) 吸物
臂降指定位置PLC输入端X006接通输入输出端Y006输出吸盘吸气钮SB11接通二位二通电磁阀137YA电真空发生器22开始动作真空吸盘26物料吸起
(6) 垂直手臂升
滑觉传感器检测物料已吸起时输出端Y004输出臂升钮SB5接通三位四通电磁阀11电磁铁4YA电执行垂直手臂升动作
(7) 水手臂回缩
臂升指定位置PLC输入端X005接通输入输出端Y002输出水缩回钮SB10接通三位四通电磁换阀10电磁铁2YA电执行水
手臂回缩动作
(8) 摆动气缸左旋
水手臂回缩指定位置PLC输入端X007接通输入输出端Y000输出左旋钮SB7接通三位四通电磁阀12电磁铁6YA电执行摆动气缸左旋转
(9) 垂直手臂降
摆动气缸左旋转指定位置（90度）PLC输入端X003接通输入输出端Y005输出垂直手臂降钮SB6接通三位四通电磁阀11电磁铁3YA电执行臂降运动
(10) 放物
臂降指定位置PLC输入端X006接通输入输出端Y007输出吸盘放气钮SB12接通真空发生器停止工作真空消失压缩空气进入真空吸盘物料吸盘吹开
(11) 臂升
滑觉传感器检测物料已放开输出端Y004输出臂升钮SB5接通三位四通电磁换阀10电磁铁2YA电执行臂升动作
(12) 回初始位置
臂升指定位置PLC输入端X005接通输入动重复动作
45 PLC程序设计
451 总体程序框图
设备手动动两种工作方式控制程序分动控制程序手动控制程序两模块模块程序分开编写结构清晰便调试修改
进行编程前应先绘制出整控制程序结构框图图42示该结构图中操作方式选择开关置手动时输入点X012接通执行手动程序操作方式选择开关置动时输入点X013接通执行动程序
图42 控制程序结构框图
方便操作应设计机械手操作面板机械手操作面板图43示
图43 机械手操作面板
452 手动控制程序
手动控制程序实现机械手升降伸缩左右旋转吸气放气复位运动动工作程中手动动转换开关手动位置时输入X012接通系统进入手动控制方式状态时相应受动钮实现手动升降左旋右旋伸出缩回吸气放气复位动作手动操作程序图44示
图44 手动操作程序
453 动控制程序
分析知动工作方式机械手运动开关量作转移信号设计工艺流程步步进行工作控制程序循环控制机械手完成次物料吸放务返回原位务做准备动控制状态转移图图45示
图45动控制状态转移图
根动控制状态转移图设计出动控制步进梯形图图46示
图46 动控制步进梯形图 (序)
第5章 结
机械手出现延伸扩手足脑功代事危险害毒低温高热等恶劣环境中工作代完成繁重单调重复劳动提高劳动生产率保证产品质量着科学技术发展PLC工业生产程中广泛应机械手技术方面研究断创新促成果断涌现
文设计取成果：
(1) 物料分拣机械手结构形式驱动装置控制系统等组成部分进行较全面分析出总体设计方案
(2) 气动驱动系统强非线性系统根原空气具压缩性系统中存流量饱效应非线性摩擦力等素实现气缸精度定位非常困难应中参数进行调定达较理想状态
(3) 机械手控制系统采技术性性非常高PLC进行控制机械设备更加灵活动作准确易维护劳动生产率提高种操作方式切换满足种生产求
课题完成机械结构设计基础物料分拣机械手驱动系统控制系统进行设计时间限制机械手结构较复杂问题需进步研究：
(1) 机械手部分连接方式改进
机械手结构具模块式特点考虑节约成等素采标准单活塞杆双作气缸加导装置结构部分实现意方式拼装通种渡连接件部分拼装
(2) 气动驱动改进
气动驱动系统方面存固弱点仅采古典反馈控制难高精度位置力等控制气动驱动系统控制方法广泛引入现代控制理智慧控制等方法特征然尚未解决问题继续研究相信PLC控制物料分拣机械手研究非常新意意义着广泛应前景
致 谢
四年学匆匆毕业设计四年学体现历半年努力次毕业设计结束设计程中慢慢学逐渐巩固学学知识期间艰苦辛酸欣喜快乐
设计利完成首先感谢指导老师文写作程中导师许许帮助XX老师学识渊博治学严谨仅学扎实专业知识学处事道理感谢答辩组位老师答辩程中位老师设计提出意见建议意识诸足社会生活奠定良基础
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