基于PLC的简易圆柱坐标机械手设计
摘要: 机械手在制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，以及能在有害环境下保护操作者的人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、轻工和原子能等工业。
本文在浏览了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手控制技术进行了系统的分析，从而提出了使用电气驱动PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并对此进行优化。对圆柱坐标机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用电气驱动，控制系统中选用了PLC来控制以完成系统功能的初始化、机械手的行动部分等功能。实现一种简单、易行控制方法。
通过以上的工作，得出了集经济、实用、可靠于一身的圆柱坐标机械手设计方案。
关键词: 机械手;电气控制;可编程控制器（PLC）;自动化控制。
Simple cylindrical coordinate manipulator design based on PLC
Abstract:Manipulator plays an extremely important role in the field of manufacturing. It can carry the goods, the hard work instead of human. Can realize the mechanization and automation of production, as well as to protect the personal safety of operators in harmful environment, therefore they are widely used in machinery, metallurgy, light industry and atomic energy industries.
After browsing the manipulator on the basis of the development in recent years, combined with the mechanical aspects of design, technology of robot control system is analyzed, and put forward the use of electric drive design of PLC control. Adopt integrated design, fully consider the characteristics of software and hardware and optimization. In cylindrical coordinates, the overall structure of the manipulator, perform structure, drive system and control system are analyzed and designed. In its drive system adopts electric drive and control system USES PLC to control to complete the initialization of system function, action of the manipulator parts, and other functions. Realize a simple, easy to control method.
Through the above work, it is concluded that the set of economic, practical, reliable in cylindrical coordinate manipulator design.
Key words:Mechanical;electrical control;programmable controller (PLC); automatic control
第一章绪论
1.1 研究的目的及意义
机械手是科技前沿的产品应自动化的需求而不断更新，可以用来代替人完成单调重复和精度要求高的工作，在制造领域中扮演了非常重要的角色。它可以用在搬运货物、代替人进行繁重的体力劳动。可以实现生产机械自动化，能在高温、腐蚀和有害环境下工作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造业、冶金、电子工业、轻工业等行业。 随着工业自动化的高速发展，机械手作为自动化的前沿产品，已经在自动化工业生产中得到了广泛应用。
可编程控制器(PLC)是以中央处理单元为中枢的控制器，整合了计算机和自动控制等先进技术，具有高可靠性、功能完善、适用性强、易学易用等优点，目前已成为机械手控制系统中最广泛使用的元器件。PLC控制的自动控制系统具有体积小，故障率低，动作精度高等优点。
为适应工业需要，本课题试着开发PLC对圆柱坐标机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能更精确的工作，采用PLC控制，是一种预先设定的程序的自动化装置，可部分代替人在高温和危险环境下进行单调往复的作业，并且在产品变化或临时有新的任务要求时可以方便的改动，而对于位置改变时，只要重新编写程序，就能很快投入生产。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。其中主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。
1.2 机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早是应用在汽车制造业，用于焊接、喷漆、装料。机械手它可替代人在危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作；代替人进行繁重、单调重复的劳动，提高劳动生产率。随着生产力的不断发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域将日益扩大。
目前，国际上生产机械手的公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、松下、FANLUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，属于起步晚，经过30多年的发展，经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用期。现如今在我国，机械手的大部分市场依然被国外机械手公司占据着。强大的国际竞争对手相比，国内的机械手企业面临着相当大的行业竞争压力。随着机械手发展的深入以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向其他第二、第三产业领域延伸。如采矿机器人、建筑机器人以及水利工程维护维修的机器人等。在国防军工业、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域当中机械手的身影也越来越多。
在未来，随着传感、激光、网络工程技术也将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，广泛，和低成本。据观察，未来机器人还会在医疗、生物技术和海洋开发、救灾等领域得到应用。
1.3 主要研究的内容
随着机械手技术的不断发展和应用领域的深化，不仅要对其控制可靠性、使用灵活性有要求，还要让其成本低、可开发性强。本设计主要研究圆柱坐标机械手以下几个方面的内容：
(1)机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的主体。主要包括机身、手臂2部分组成。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。
(2)机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。本设计选择电气驱动。主要内容包括电气元件的选择及其工作原理、电气回路的设计和电气原理图的绘制。
(3)机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的核心，它控制驱动系统，让执行系统按设计要求进行工作。本机械手采用PLC对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图等内容的设计。
1.4 解决的主要问题
1 解决机械手机械结构设计的问题，要求机械手结构简单、具有一定的可行性。
2 传感器的类型选择。
3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决机械手和控制系统的协调问题。
4 执行部件的控制精度的问题。
第二章 执行系统
2.1 执行系统的形式
圆柱坐标坐标式机械手
圆柱坐标坐标式机械手是目前使用最多的一种机械手，它适用于搬运工件。具结构简单，占用的空间小，动作范围比较大等优点。
圆柱坐标坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，两个直线运动。
圆柱坐标坐标式机械手有3个基本动作：
（1） 手臂水平回转；
（2） 手臂伸缩；
（3） 手臂上下；
2.2 执行机构的组成
工业机械手的执行系统主要由以下机械部分组成：
（1）吸盘 是机械手吸取工件的部分。
（2）臂部 是机械手用来实现较大运动的部件。
（3）立柱 支撑手臂并带动它升降和移动的机构。
（4）机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。
2.3 执行机构各部分的介绍
2.3.1 手部的选择
1 手部形式的确定
手部就是用来抓取工件的部分。根据工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的各不相同，手部结构也是多种多样。常用的手部按其抓取原理可以分为如下两类:
1）夹持式
夹持式手部的结构与人手结构类似，是机械手广泛应用于工业的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，抓取方向相反。
2）气吸式
气吸式又称为真空吸盘式，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差将工件吸附在吸盘上，是工业中机械手常用的吸持装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触部分光滑平整没有透气空隙。主要用于吸附板材、玻璃制品及塑料等表面光滑的工件。
气吸式又可分为：
负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。
磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。
真空式吸附型它是利用真空泵把吸盘处空气抽出来而形成真空，所以称真空式。喷气式的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积逐渐缩小，所以气流速度随之增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界值，这时候的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流速度继续增加，在吸气口处形成负压。吸盘与吸气口连同，形成真空，吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，将吸盘内的空气抽出，造成真空吸住工件。磁吸式是利用工件的磁性，利用电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上会留有吸附磁性屑，会影响正常工作。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的目的及意义 1
1.2 机械手在国内外现状和发展趋势 1
1.3 主要研究的内容 2
1.4 解决的主要问题 2
第二章 执行系统 3
2.1 执行系统的形式 3
2.2 执行机构的组成 3
2.3 执行机构各部分的介绍 3
2.3.1 手部的选择 3
2.3.2 手臂结构的选择 4
2.3.3 机座结构的选择 5
2.4 执行机构的工作原理 5
第三章 驱动系统 7
3.1 驱动系统的分析与选择 7
3.2 驱动系统的工作原理 7
3.2.1 辅助元件 8
3.2.2 真空发生器 9
3.2.3吸盘 9
第四章 控制系统 10
4.1 控制系统组成结构 10
4.2 控制系统要求 10
4.3 传感器选择 11
4.4 驱动器选择 11
4.5 步进电机选择 11
4.6 PLC选取及控制原理 12
4.6.1 PLC控制系统设计 12
4.6.2 PLC种类及型号选择 15
4.6.3 I/O点数分配 15
4.6.4 PLC外部接线图 16
4.6.5 机械手控制原理 17
4.7 PLC程序设计 18
4.7.1 手自动切换 18
4.7.2 初始化及报警程序 19
4.7.3 手动控制程序 20
4.7.4 自动控制程序 20
第五章 总结与展望 22
参考文献 23
附录 24
参考文献
［1］张万忠，等.可编程控制机器人入门与应用实例 [M］.北京：中国电力出版社，2007
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［4］田效伍.电气控制与PLC应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006
［5］周国珍.PLC分析与设计应用［M］.北京：电子工业出版社，2004
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［12］宋伯生.PLC编程实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2007
［13］何献忠，等.可编程控制器应用技术［M］.北京：清华大学出版社，2007
［14］周元一.电机与电气控制［M］.北京：机械工业出版社.2006
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［16］廖常初.PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2007
［17］廖常初.PLC基础及应用［M］.北京：机械工业出版社，2007
［18］刘洪涛，等.PLC应用开发从基础到实践［M］.北京：电子工业出版社，2007
附录
机械手图
主电路图
PLC外部接线图
操作面板图
初始化及报警程序
手动程序
状态转移图
驱动器连接图
底座结构图
齿轮图
齿条图
吸盘结构图
前导杆固定块图
后导杆固定块图
立柱图
伸缩臂安装台图
升降臂固定块图
