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参考文献..................................................................................................... 54 致 谢..................................................................................................... 55 附 录..................................................................................................... 56 文献综述..................................................................................................... 57
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第1章 前 言
1.1 研究的目的和意义
1.1.1 传统机械手
伴随着工业自动化发展的脚步，机械手凭借其定位精度高、工作性能稳定、结构灵
活多样、可精确复现等特点，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域。它的运用标志着制造业向自动化、无人化、节拍化、智能化的迈进。
就传统继电控制的机械手而言，因其控制装置落后、接线复杂、易受干扰、可靠性
差、维修困难等劣势，逐步退出了历史舞台。 1.1.2 现代机械手
可编程控制器因其诸多特点被广泛应用于现代机械手控制系统中。
可编程控制器简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础
的新型工业控制装置，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
其特点特点如下：
1） 可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。就PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
2） 配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展至今，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模
的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，
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可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加之PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语
言易为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计
及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
5） 体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于
体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。配套齐全，功能完善，适用性强。
1.2 研究的国内外现状和发展趋势
1.2.1 国内外现状
1） 应用广泛性。机械手作为一种按人类意识进行简单替代人手操作的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作。
2） 结构多样性。机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用。
3） 智能性。借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息，及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一
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工作环节。生产车间中，运用该机械手，可实现无人化生产，构建无人车间。 1.2.2 发展趋势
1） 各种多用途机械手。适用于抓取各种物件，适合于各种不同用途，具有各种新功能。如汽车工业中的上下料、装配、喷涂以及各种功能的实现。
2） 具有熟练技术工人的机能。如开发双臂多关节机械手，像熟练技术工人那样进行各种装配、检修、焊接、喷涂等工作，能搬运液晶玻璃、半导体器件，并能和计算机连接，通过仿真软件进行各种熟练技术工人的工作。完美的人机界面，完备的通信功能更好适应各种工业的控制场合。
3） 实现智能化，能进行多品种少数量的柔性生产，组成各种形式的制造系统。开发各种带视觉、听觉、触觉的新型传感器，能够分析、判断、遥控的智能化机器手，为未来低成本、高精度、高效率、高自动化的制造系统做准备。
4） 提高机器手工作定位精度。通过安装视觉传感器，实时控制系统等措施，使机械手运动环节能实现实时位置反馈，提高机械手工作定位精度。
1.3 主要研究内容，需要解决的关键问题和思路
1.3.1 概要
任务：实现机械手在两个工作台间代替工人进行单调持久地搬移工作。
环境：高温和危险的作业区，可变换生产品种的中、小批量柔性自动化生产线。 要求：PLC控制，预置工作程序，动作灵活，可根据工件的变化随时更改相关控制
参数。
1.3.2 硬件选择
1） 动力源——步进电机及其相应驱动设备。机械手夹持部位采用电磁控制。各元件应结合现场工作环境进行校核设计，本文中所选设备仅作示范性选择，未进行校核，不适用于具体设备制造，不代表最终机械手硬件。
2） 传动机构——机械手臂采用滚珠丝杠螺母传动。
3） 减速机构——本文不设计减速机构，在实际生产中若动力不足，可另行增加。同时为保证机械手的有足够的定位精度，应保证减速器具有满足使用要求的传动精度。
4） 超程保护——设备运行过程中未能豁免发生控制程序或电路故障，造成在极限位置仍继续发出前行信号，烧毁步进电机或其驱动设备。结构中在极限位置采用行程开关进行超程保护，各极限位置保留了一定工作区域，不作为工作行程。
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5） 操作台布置——尽力人性化处理，显示实时工作状态及故障报警。 1.3.3 控制要求
1） 定位精确性——步进电机和步进电机驱动器作为动力驱动设备，采用开环点位控制，满足定位要求。
2） 路径无干扰性——无干涉，无安全隐患。可以设定中间点位避让绕行。 3） 故障报警系统——具有故障位指示功能。 1.3.4 输入/输出设备
输入：指令按钮、旋钮、急停按钮、报警及指示装置。 输出：指示灯、二极管、步进电机及其驱动设备、电磁机械手。
1.3.5 PLC选择
保证设计所需的指令、I/O点数、电压及输出方式的要求，选择质优、价廉、广泛
应用的产品以降低总设计成本。 1.3.6 I/O点数分配
合理选用满足设备要求点数的PLC，减少不必要的浪费。优先分配特殊I/O点，注
意相关指定输入输出端，归类分布。 1.3.7 PLC程序设计
1） 移植性——制定参数存储区域，存储点位控制机械手的关键点位置，仅一次手动操作，即能完成自动程序的点位编程，降低对操作者的专业要求，实现远程、高柔性工件搬移。
2） 继承性——精炼的程序段，注明详细程序说明，对后期的维护和二次开发提供基础。
1.3.8 研究对象特点
本设计的应用研究，贴近企业生产，具有很强的可行性、实用性和经济性。该设备
可以应用于中、小批量生产柔性制造自动化生产线，实现工件在两工作台间的搬移，大大的减轻工人的劳动强度、减少人力资源的浪费，节省生产成本，提高生产效率，减少因为人工疏忽造成的安全事故。远程控制，对于恒温环境、不适合人直接接触工作的危险环境（如：高温、放射、剧毒、无氧、高空等恶劣环境）下较普通机械手（如：行程开关定位顺序控制）有明显的优势。