机械手自动化控制

1、机械手发展经历与主要构成

机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。

1.1发展历史

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能和制药等行业。

1.2构成部分

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成

特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

1.3机械手分类

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X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。

1.4多关节机械手的优势

多关节机械手的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作。随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度与作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

1.5机械手发展大事记

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。（电磁铁工件抓放机构）

1962年，美国联合控制公司试制成一台数控示教再现型机械手。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

2、基于S7-200的机械手PLC控制程序

S7-200 PLC(Program Logic Controler)是德国西门子公司生产的小型可编程控制器，具有良好的可扩展性、价格低廉、指令功能强大, 十分适合在机械手控制系统中应用。但一般在工业机器人执行机械手机构多为形状简单的夹钳式、托持式、吸附式等结构,其结构和抓握目标物的原理决定了其有限的抓握功能。随着机器人应用X围的日益扩大和向智能化、拟人化方向的发展, 其手部也有多指多关节的拟人化要求；另外在工伤、事故中断手的残疾人也需要功能价格比高的多关节机械手。为此我们研制出一套新的基于S7-200 PLC的多关节机械手控制系统，该系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。由于PLC控制受环境的限制，在使用过程中会受到各种干扰，影响系统的可靠性。因此必须采取各种抗干扰措施，以提高控制系统的可靠性。

3、西门子公司与S7-200主要参数功能介绍

西门子股份公司（SIEMENS AG FWB：SIE, NYSE：SI）是世界最大的机电类公司之一，1847年由维尔纳·冯·西门子建立。如今，它的国际总部位于德国慕尼黑。西门子股份公司是在法兰克福证券交易所和纽约证券交易所上市的公司。2005年，西门子全集团在190个国家和地区雇用员工460,800人，全球收入为754.45亿欧元（2004年为702.37亿欧元），税后利润较2004年的36.6亿欧元降至24.2亿欧元。

西门子是一家大型国际公司，其业务遍与全球190多个国家，在全世界拥有大约600家工厂、研发中心和销售办事处。公司的业务主要集中于6大领域：信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。西门子的全球业务运营分别由13个业务集团负责，其中包括西门子财务服务XX和西门子房地资产管理集团。此外，西门子还拥有两家合资企业——博士－西门子家用电器集团和富士通计算机（控股）公司。

S7-200 是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测与控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

3.1适用X围

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用X围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业与民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU可供选择使用。

3.2模拟电位器

CPU221/222 1个

CPU224/224XP/226 2个

3.3脉冲输出

2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。

3.4电池模块

用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。

3.5各型号的优点

CPU221

本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

CPU222

本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

CPU224

本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

CPU224XP

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

4、机械手设计要求与功能

图3.1

机械手模拟控制窗口如图所示。图中机械手可抓紧、放送工件，可上下、左右移动，模拟界面的右侧为按控制要求设计的操作台。

4.1控制要求

机械手设有调整、连续、单周与步进四种工作方式，工作时要首先选择工作方式，然后操作对应按钮。

4.2机械手运行方式

4.2.1调整工作方式

可按相应按钮实现左移、右移、上移、下移、加紧、放松各个动作的单独调整。

4.2.2连续工作方式

按下起动按钮，机械手按下降→加紧→上升→右移→下降→放松→上升→左

移的顺序周而复始的连续工作；按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。

4.2.3单周工作方式

按下起动按钮后，机械手按下降→加紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移的顺序自动工作一个周期停止。若要再工作一个周期，可再次按下起动按钮。按下停止按钮，机械手将自动结束本周期的工作，回到原位后停止。按下急停按钮，系统立即停车。

步进工作方式

每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。按下急停按钮，系统立即停车。

4.3程序设计要点

由机械手的工作过程可知，这是一个典型的顺序控制系统。为此，可从机械手的连续工作方式入手编写程序。首先应绘出连续工作时的功能表图，然后直接列写逻辑表达式，用触点线圈指令编程，也可使用置位复位指令或顺序控制继电器指令来完成。为了将每一步的工作状态显示出来，动画模拟软件使用了内部存储器位M51、M52、M53、M54、M55、M56、M57、M40、M41来分别表示①～⑧的运行状态。编程过程中，需要注意特别处理的问题是①、⑤和③、⑦步的动作问题，虽然①、⑤步都是下降操作，但却具有不同的意义，①步下降是空钩下降，而⑤步下降则是夹着工件下降。③、⑦步的上升操作也是这样。

单周期操作的程序实现可在连续工作程序的基础上通过经验修改实现。其要点是是设法阻止机械手在一个周期工作结束后自动进入下一周期，一般在下降的启动回路想办法。

单步操作的实现与单周期工作的实现是相似的。即设法在每一步工作结束后，不是直接启动下一步的工作，而是等待启动按钮的命令后再工作。

4.4程序结构框图

5、结论

该设计方式初步满足了设计要求，实验证明能够按照设定的工作方式稳定运行。以上是在同一个顺序控制程序中完成的连续工作、单周期工作和单步工作的程序编制思路，实际上也可以采用分段跳转的办法来完成这三种操作。这种方法编制的程序结构清晰，但程序数量长于前一种方法。

机械手在我国的经济建设中担当着重要的角色，随着我国现代化经济建设的高速发展，我国制造行业所面临的国际社会的巨大竞争压力和挑战日益加剧。从节约能源，保护环境出发，高效率、高智能的机械手是目前国际发展的趋势。这样看来，推广中国的高效率、高智能机械手是非常有必要的。但是在日常使用过程中如何去维护好，其影响可见一斑。本文着重从机械手的技术发展与现状、工作原理、运行系统等进行了初略的探讨和分析，希望能给正在或即将从事机械手工作的人士一些帮助。

参考资料

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[2]陈远玲、黎亚元、富国强机床电气自动控制[M] XX大学

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[4]王建明自动线与工业机械手技术[M] XX大学

[5]杨后川、高建设西门子S7-200PLC应用100例[M] 电子工业

[6]肖峰、贺哲荣 PLC编程100例[M] 中国电力

致谢

多年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。多年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的指导老师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

这些年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以与在设计中被我引用或参考的论著的作者。