温州大学毕业论文 基于PLC控制的机械手设计
目 录
摘要 ···································································································· 1 引言 ···································································································· 1 1.机械手总体方案设计 ···································································· 2
1.1设计要求 ······················································································· 2 1.2运动形式的选择 ············································································ 2 1.3驱动方式的选择 ············································································ 4 1.4总体结构设计 ················································································ 5
2.机械手手部设计 ············································································ 6
2.1结构分析 ······················································································· 6 2.2计算分析 ······················································································· 6
3.PLC控制系统设计 ········································································· 11
3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 ·············································· 11 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 ··························· 13 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 ············································ 14
4.动画制作 ························································································ 18
4.1建立机械手模型 ············································································· 18 4.2制作机械手的动画 ········································································· 18
结束语································································································· 26 致谢 ····································································································· 26 参考文献 ···························································································· 26 附录 ····································································································· 27
温州大学毕业论文 基于PLC控制的机械手设计
摘 要
机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手 PLC 动画
引 言
随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。
工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。
控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。
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1.机械手总体方案设计
1.1设计要求：
1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上。 2.要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。初值给定如下： 工件质量m=0.1kg 摩擦系数μ=0.15
重力加速度g=9.8m/s2
垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2 水平加速度a=0.3g=2.94m/s2 回转半径r=0.5m 角速度ω＝3.5rad/s 角加速度β＝2.1rad/s2 安全系数S=1.45 夹角φ＝45°
3.要求选用PLC作为控制系统。
1.2运动形式的选择：
根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。
1.直角坐标型机器人
直角坐标型机器人的结构简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是： (1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 (2)计算比较方便。
(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。 (4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。 (5)要求有较大的平面安装区域。
(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。
2.圆柱坐标型机器人
圆柱坐标型机器人的结构简图如图1-2所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：
(1)容易想象和计算。
(2)能够伸入形腔式机器内部。 (3)空间定位比较直观。
(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。
(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。 3.极坐标型机器人
极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图1-3所示，R，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：
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(1)在中心支架附近的工作范围较大。 (2)两个转动驱动装置容易密封。 (3)覆盖工作空间较大。
(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。 (5)直线驱动装置仍存在密封问题。 (6)存在工作死区。
4.多关节机器人
多关节机器人结构简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：
(1)动作较灵活，工作空间大。 (2关节驱动处容易密封防尘。
(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。 (4) 适合于电动机驱动。
(5)运动难以想象和控制，计算量较大。 (6)不适于液压驱动。
θ
图1-1 直角坐标型 图1-2 圆柱坐标型
βφαθθ
图1-3 极坐标型 图1-4 多关节型
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选择方案的准则：
1.满足设设计要求：机械手能够旋转一定角度。 2.结构简单，便于计算分析。
分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。
1.3驱动方式的选择：
机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。 1.液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：
(1)液压容易达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩；
(2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； (3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； (4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。
液压传动系统的不足之处是：
(1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险；
(2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； (3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。
液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 2.气压驱动
与液压驱动相比，气压驱动的特点是： (1)压缩空气粘度小，容易达到高速；
(2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；
(3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是：
(1)压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；
(2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；
(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。
气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。 3.电动机驱动
电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用
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