河南工业职业技术学院
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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，是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环。
1.3 机械手前景展望
机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通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，将引起零件甚至机械手本身的损坏。
为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。
1.4 机械手的分类及组成
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
<1>执行机构： 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
<2>驱动系统： 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
<3>控制系统： 有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们
6
河南工业职业技术学院
给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
<4>位置检测装置：控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。
1.5 课题的选题背景和意义
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，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，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；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；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大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。 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。
现代工业控制中采用PLC控制生产线后，控制系统有以下突出特点，抗干扰性能大为提高，控制精度准确，提高了产品质量；根据工艺要求灵活改变生产流程，扩充系统方便；用一套系统可实现多种控制操作，电路接线简单，调试方便。因此，是产品质量大为提高；减少了残次品，提高了生产效率；节省原材料；降低了工人的劳动强度；维护设备简单，方便了生产，提高了效率。
7
河南工业职业技术学院
第2章 机械手PLC控制系统设计
2.1工艺流程分析
如图1所示是一台工件传送的机械手的工作示意图，其作用是将工件从Ａ点传递到Ｂ点。如图2所示，是一台工件传送的机械手运动示意图，其作用是：机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动液压缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为YV3与YV1，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为YV5与YV4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的液压缸完成，线圈(YV2)通电夹住工件，线圈(YV2)断电，松开工件。机械手的工作臂都设有下、上限位和右、左限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边的状态为机械手的原位。
图 1 简易机械手工作示意图
8
河南工业职业技术学院
图 2 机械手运动示意图
2.2 控制流程图：如图3所示
图 3 机械手控制流程图
第3章 机械手的硬件设计
3.1 PLC的选择
3.1.1 PLC机型选择
(一) 机型的选择
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 (二)输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、
9
河南工业职业技术学院
交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。 (三)电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 (四)存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 （五）冗余功能的选择 1．控制单元的冗余
(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。 (2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、二重化或三重化冗余容错系统等。 2.I/O接口单元的冗余
(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。 (2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。
(3)根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。 (六)经济性的考虑
10