第一篇：传送带工业机械手的PLC控制课程设计

工业机械手的PLC控制

一、课题概述（1）机械手作用

工业机械手的任务是搬运物品，要求它将传送带A上的物品搬运到传送带B上，由于传送带A、B都按规定的方向和规律运行，故可将物品春送到指定位置.传送带A为步进式传送，每当机械手从传送带A上取走一个物品时，该传送带向前步进一段距离，将下一个物品传送到位，以便机械手在下一个工作循环取走物品。机械手按照规定的动作，将传送带A上的物品搬运到传送带B上。传送带B是连续运转的。（2）机械手操作流程

工业机械手工作流程如图所示，其工作过程说明如下：

三、方案设计与论证

用三菱FX软件编写程序，画出SFC图，编写相应的内置梯形图，写入PLC，运行监控，按照输入输出模块连接开关和二极管。通过按键开关，按照设计要求步骤控制程序步进运行，通过二极管发光表示机械手的电动机控制。实现任务要求。

1、I/O地址

X0：启动按钮 Y0: 机械手工作指示 X1：停止按钮 Y1：传送带B X2:单步/连续控制开关 Y2：传送带A X3：机械手下限位开关 Y3：控制右旋 X4：机械手上限位开关 Y4：控制左旋 X5: 机械手左旋限位开关 Y5：机械手上升 X6: 机械手右旋限位开关 Y6：机械手下降

X7: 机械手夹紧限位开关 Y7：机械手夹紧/放松 X10:传送带A向前送物控制信号 X11:机械手手动上升 X12:机械手手动下降 X13:机械手手动右旋 X14:机械手手动左旋

X15:机械手手动夹紧/放松

2、系统的PLC I/O地址分配表

3、画出PLC 的I/O硬件接线图

4、指令表程序

5、梯形图

四、上机调试程序（验证能否完成功能，写出过程）操作步骤： 连动部分：

1、按下X0（P01）启动按钮，机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B开始运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手从右下限位开始上升Y5(ZJ6)灯亮

2、按下X4(PS4), 机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始左旋Y4(ZJ5)灯亮

3、按下X5(PS5), 机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始下降Y6(ZJ7)灯亮

4、按下X3(PS3)、X10(TD), 机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，传送带A启动Y2(ZJ3)灯亮

5、按下X7（HL2），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手上升Y5(ZJ6)灯亮

6、按下X4(PS4), 机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始右旋Y3(ZJ4)灯亮

7、按下X6（HL1）, 机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始下降Y6(ZJ7)灯亮

8、按下X3(PS3), Y0机械手工作指示(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始抓物Y7(TL4)灯亮 点动部分：

1、按下X2（PS2）、X0（P01）、X11（P02），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手上升Y5(ZJ6)灯亮

2、按下X14（P05），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始左旋Y4(ZJ5)灯亮

3、按下X12（P03），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始下降Y6(ZJ7)灯亮

4、按下X10（TD），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，传送带A启动Y2(ZJ3)灯亮

5、按下X15（P06），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始抓物Y7(TL4)灯亮

6、按下X11（P02），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手上升Y5(ZJ6)灯亮

7、按下X13（P04），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始右旋Y3(ZJ4)灯亮

8、按下X12（P03），机械手工作指示Y0(ZJ1)灯亮，传送带B继续运行Y1(ZJ2)灯亮，机械手开始下降Y6(ZJ7)灯亮

五、结论与心得（设计中遇到的问题，如何解决的，有何收获）

我们持续一周的关于工业机械手的PLC控制的课程设计已经结束了，通过此次PLC程序设计实践,我实在是获益不浅!PLC是今年刚接触的一门新课，刚开始对这门课程很感兴趣，可是学起来的时候感觉有点难度，所以学起来有点畏惧感，以致没怎么学好！每次上实验课的时候，虽然都是尝试着去操作，可还是只会简单的输入程序。我知道PLC程序设计是一门重要的基础课程，是数据结构，操作系统，数据库原理和软件工程等后继课程的基础。适用于大型系统软件和应用软件的开发。而此次课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，当今PLC应用在生产生活中可以说得是无处不在，因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC技术是十分重要的，例如，这次的实训内容是工业机械手的PLC控制设计。通过这次实训，我了解到了很多关于PLC程序设计方面的知识，如：工业机械手的PLC控制，这就是PLC的一个应用领域，在这次的实训中，利用PLC相关知识，将工业机械手PLC的硬件图、IO表、流程图以及梯形图编辑出来，然后在计算机中进行模拟，让我们目睹了这一模拟过程，使我们进一步认识到PLC的重要性。虽然在这次实训过程中我也遇到了很多难题。但在通过查阅资料，以及向同学请教后，也终于成功的运行了课程设计所要求的程序。有许多东西，许多事，不是想像中的那么容易，不去实践，永远也不会有提高，尤其是学习PLC上。当然，我也学到了很多关于步进顺控指令系统中画SFC图，梯形图和调试的小技巧。如：在加停止按钮时要实现任何工作状态下都可以停止的功能则可以在主干路或则在输出线圈前串联一个X1常闭触点，那么任何时候按下X1则会使常闭断开，从而使状态断开。还有调试时为了便于观察现象和快速走完全程观察总体结构是否正确，可以将状态图中的定时器数值定为3秒左右，时间太长会浪费太多时间，太短则效果不明显误以为没有动作。还有在试验模拟前先列出I/O表及操作步骤与现象，在实验时一步步操作验证猜想是否一致，若不一致在检查错误排错，这样思路清晰也会更节省时间等等。同时，在这次课程设计的过程中，我认识到学好PLC要重视实践操作，不仅仅是学习PLC程序设计，还是其它的课程设计，以及其它方面的知识都要重在实践，不能只是学习和重视书本上的理论知识，所以日后在学习过程中，我会更加注视实践操作，使自己更好地学好PLC这门课程.六、参考文献

1．电气控制与可编程控制器应用技术（第2版）郁汉琪

2．百度文库

3．三菱FX系列可编程控制器

第二篇：plc机械手课程设计

课程设计说明书

目录 引言.................................................................5 2 设计目的及主要内容...................................................6 2.1设计目的.......................................................4 2.2.主要内容.......................................................4 3 气动机械手的操作要求及功能...........................................4

3.1.操作要求.......................................................4 3.2操作功能.......................................................5 4 PLC及机械手的选择和论证.............................................6 4.1 PLC............................................................6 4.1.1 PLC简介...................................................6 4.1.2 PLC的结构及基本配置.......................................6 4.1.3 PLC的选择及论证..........................................7 4.2机械手.........................................................7 4.2.1机械手简介.................................................7 4.2.2机械手的选择...............................................8 5 硬件电路设计及描述...................................................8 5.1操作方式.......................................................8 5.2 PLC的I/O分配接线.............................................9 6 软件电路设计及描述..................................................10 6.1机械手的操作系统程序..........................................10 6.2回原位程序....................................................10 6.3手动单步操作程序..............................................11 6.4自动操作程序..................................................12 6.5机械臂传送系统梯形图..........................................12 6.6指令语句表....................................................13 7 心得体会...........................................................15 参考文献.............................................................16

课程设计说明书

1引 言

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。并且在工业生产和其他领域内，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，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，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，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

机械手采用plc控制，具有可靠性高，改变程序灵活等优点。无论进行时间控制还是控制或混合控制，都可以通过设置plc的程序实现。可以根据机械手的动作顺序改变程序，是机械手通用性更好。

采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好。阻力损失和泄露减少。不会污染环境，造价低。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不

一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

课程设计说明书 设计目的及主要内容

2.1设计目的

1、培养plc设计能力；

2、扩展知识结构；

3、培养综合运用能力；

4、是课堂教学的有益补充。通过本次课程设计，进一步加强自己对机械手和PLC的认识，以及它们在生活中广泛应用。

2.2主要内容

1.正确选用机械手和PLC类 2.绘制I/O分配 3.设计梯形图 4.指令语句 5.模拟调试 气动机械手的操作要求及功能

3.1操作要求

气动机械手的动作示意图如图1所示，气动机械手的功能是将工件从A处移送到B处。控制要求为：

1、气动机械手的升降和左右移行分别由不同的双线圈电磁阀来实现，电磁阀线圈失电时能保持原来的状态，必须驱动反向的线圈才能反向运动；

2、上升、下降的电磁阀线圈分别为Q0.0、Q0.2；右行、左行的电磁阀线圈为Q0.3、Q0.4；

3、机械手的夹钳由单线圈电磁阀Q0.1来实现，线圈通电时夹紧工件，线圈断电时松开工件；

4、机械手的夹钳的松开、夹紧通过延1S实现；

5、机械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程开关I1.0、I0.5、I1.1、I0.6来实现；

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3.2操作功能

机械手的操作面板如图2所示。机械手能实现手动、回原位、单步、单周期和连续等五种工作方式。

1、手动工作方式时，用各按钮的点动实现相应的动作；

2、连续工作方式时，机械手在原位，只要按下启动安钮，机械手就会连续循环工作，直到按下停止安钮；

3、单步工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手向前执行一步；

4、单周期工作方式时，每按下一次启动安钮，机械手只运行一个周期；

5、传送工件时，机械手必须升到最高点才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时碰到其他工件；

6、出现紧急情况，按下紧急停车按钮时，机械手停止所有的操作。

课程设计说明书 PLC及机械手的选择和论证

4.1 PLC 4.1.1 PLC简介

可编程控制器（简称PLC）：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。

4.1.2 PLC的结构及基本配置

一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开

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放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

CPU：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的。电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1.编程设备2.监控设备3.存储设备.4.输入输出设备.4.2 机械手

4.2.1机械手简介

mechanical hand 也被称为自动手，auto hand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。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、轻工和原子能等部门。

机械手简述:机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。

1．执行机构

机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。

2．传动系统

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执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。

3.控制系统

机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。

4.2.2机械手选择

由于机械手是在搬运中的应用，所以采用传送带加旋转的机械手类型。此机械手易于操作，性能可靠。并且根据要求，我们设计的是气动机械式。硬件电路设计及描述

5.1 操作方式

设备的操作方式一般可分为手动和自动两大类，手动操作方式主要用于设备的调整，自动操作方式用于设备的自动运行。

手动操作方式------手动操作：用单个按钮接通或断开各自对应的负载。

自动操作方式------单步运行：每按一次启动按钮，设备前进一个工步。------单周期运行：在原点位置时，按下启动按钮设备自动运行一个周期后停止原位；途中按下停止按钮，设备停止运行；再按下启动按钮时，设备从断点处继续运行，直到原位停止。

-------连续运行：在原点位置按下启动按钮，设备按既定工序连续反复运行。中途按下停止按钮，设备运行到原位停止。

5.2 PLC的I/O分配接线

I/O分配及接线图I 软件电路设计及描述

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6.1 主程序设计

主程序是整个程序的开始，系统读取的时候一定从主程序开始，至于之后需执行哪个子程序，都在主程序中体现。SM0.0的常开触点一直闭合，链接公用程序，公用程序是无条件执行的；在手动控制方式中，I2.0为ON时，其常开触点闭合，执行“手动”子程序；在回原点控制方式中，I2.1为ON时，其常开触点闭合，执行“回原点”子程序；在单步、单周期和连续控制方式中，I2.2、I2.3、I2.4并联，其中任何一个为ON时，执行“自动”子程序。主程序梯形图为：

图2-1 主程序梯形图

6.2 公用程序设计

公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理。左限位开关I0.4、上限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点串联接通时，“原点条件”M0.5变为ON，机械手处于原点状态，在开始执行用户程序、系统处于手动或自动回原点状态时，初始步对应的M0.0将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式作好准备。若M0.5为OFF状态，M0.0被复位，初始步为不活动步，按下启动按钮也不能进入步M2.0，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。

当系统处于手动工作方式和回原点方式时，必须将单步、单周期以及连续工作方式程序中，除初始步以外的各步对应的存储器位（M2.0~M2.7）复位，否则当系统从自动工作方式切换到手动工作方式，然后又返回自动工作方式时，可能会出现同时有两个活动部的异常情况，引起错误的动作。如果不是回原点方式，I2.1的常闭触点闭合，代表回原点中的各步

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M1.0~M1.5复位。在非连续方式，I2.4的常闭触点闭合，表示连续工作状态的标志M0.7复位。公用程序梯形图为：

图2-2 公用程序梯形图

6.3 手动程序设计

在手动程序中，为了保证系统安全运行，设置了上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，防止功能相反的两个输出同时为ON；限位开关I1.2的常开触点闭合使得输出Q0.1置位得电，表示工件已夹紧；当左限位开关或右限位开关的常开触点闭合同时限位开关I0.7常开触点闭合时，输出Q0.1复位失电，表示工件已松开；I0.1~I0.4的常闭触点，限制机械手移动的范围；上限位开关I0.2的常开触点与控制左右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，机械手升到最高位置才能左右移动，以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞；只允许机械手在最左边或最右边时上升、下降和松开工件。

手动程序梯形图为：

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图2-3 手动程序梯形图

6．4 自动程序设计

自动程序（包括单步、单周期和连续）采用起保停电路控制。单周期、连续和单步工作方式主要用“连续”标志M0.7和“转换允许”标志M0.6来区分，M0.0表示初始步，M2.0~M2.7分别表示下降、夹紧、上升、右行、下降，松开、上升、左行标志。当系统处于单步工作状态时，I2.2常闭触点断开，只有在每按下一次启动按钮I2.6，M0.6才能得电一个扫描周期，程序执行一步，以此来实现单步执行，此时转换不允许。当系统处于连续工作状态时，M0.6始终得电，按下启动按钮I2.6后同时未按停止按钮I2.7之前，“连续”标志M0.7始终得电，系统首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7始终得电，其常闭触点断开，使得程序执行完一个周期后不在进入初始步M0.0，而是直接进入M2.0，开始了下一个周期的执行，以此来实现连续执行。当系统处于单周期工作状态时，M0.7不得电，M0.6得电，按下启动按钮I2.6后系统也是首先通过M0.0、M0.5、I2.6使M2.0得电，进而开始程序执行，由于M0.7不得电，其常闭触点闭合，当程序执行完一个周期后，返回初始步M0.0，此时程序再要执行必须重新按下启动按钮I2.6，以此来实现单周期执行。自动程序梯形图见附录1。

6.5 自动回原点程序设计

自动回原点程序用起保停电路设计。在此工作方式下，I2.1为ON，按下启动按钮I2.6后，机械手可能处于三种情况下，应分别处理。

Q0.1为0状态，即机械手处于松开状态，应直接返回原点应进入上升步M1.4或左行

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步M1.5；若Q0.1为1状态同时机械手在最右边此时说明应执行下降步M1.2,；若Q0.1为1状态同时机械手不在最右边，应将工件先送到B点，再返回原点，进入步M1.0。

返回原点后，原点条件满足，公用程序中的原点条件标志M0.5为ON，此时I2.1为ON，M0.0在公用程序中置位，为进入自动工作方式作好准备。因此可以认为自动程序中的初始步M0.0是步M1.5的后续步。自动回原点程序见附录2。心得体会

可编程控制器课程设计是课程当中一个重要环节，通过了2周的课程设计使我对plc设计过程有进一步了解，对plc产品的有关的控制知识有了深刻的认识。

因为理论知识学的不牢固，在设计遇到了不少问题，通过理论与实际的结合，进一步提高观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。运用学习成果，把理论运用于实际，使理论得以提升，形成创新思想。通过此次设计过程，巩固了专业基础知识，培养了我综合应用可编程控制器设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力，在设计的过程中还培养出了我们的团队精神，为今后的学习和工作过程打下基础。

参考文献

《可编程控制器原理与应用》 主编：周惠文 电子工业出版社 北京，2007.8 《可编程控制器原理与应用》 主编：涂明武 北京航空航天出版社 北京，2008.8 《PLC操作实训（三菱）》 主编：孙德胜 李伟 机械工业出版社 北京，2007.9 《PLC应用技术》 主编：冯新强 北京邮电大学出版社 北京，2009.4

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附录1 自动程序梯形图：

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附录2 自动回原点程序梯形图：

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第三篇：plc机械手控制拓展

机械手论文

专业：

机电一体化

学 生 姓 名：

学 号：

指 导 教 师：

完 成 日 期： 2011.3.15

目录

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅱ 1 2 3

绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1 机械手的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1.1 执行机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1.2 驱动机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.1.3 控制机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.2机械手在生产中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.3 机械手的主要特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

3.4机械手的技术发展方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5机械手坐标形式与自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5.1 机械手坐标形式选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.5.2 机械手自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.6 3.7 机械手的规格参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 机械手手部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.1 手部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.2 手部力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

3.7.3 夹紧力与驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

3.7.4 手抓夹持范围计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

3.7.5 手抓夹持精度的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

3.8 机械手腕部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

3.8.1 腕部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

3.8.2 腕部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

3.8.3 腕部回转力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

3.8.4 腕部工作压力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

3.8.5 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„16

3.9 机械手臂部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17-III-

3.9.1 臂部设计的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

3.9.2 臂部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

3.9.3 手臂伸缩驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

3.10 机身升降机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

3.10.1 手臂偏重力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

3.10.2 升降导向立柱不自锁条件„„„„„„„„„„„„„„„„„22

3.10.3 手臂升降驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

3.10.4 手臂升降液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„24

3.11 机身回转机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„25

3.11.2 手臂回转液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„26

3.11.3 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27

3.11.4 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„28 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31

绪论

机械手结构优化设计

摘 要

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显 著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械 手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的 结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 CAD/CAM 软件应用方面有了进一步的提高。

关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构

工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技 术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理 论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和 生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机 械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。机械手设计要求

要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：

（1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。

（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。

（3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。

（4）工业机械手装配图的绘制。

（5）编写设计计算说明书。机械手总体设计方案

3．1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

3．1．1 执行机构

（1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠 螺母式、弹簧式、重力式。

（2）腕部 是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大机 械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。

（3）手臂

是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂 需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。

（4）行走机构

3．1．2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液 压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧 凑，控制方便。

3．1．3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。

3．2 机械手在生产中的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：（1）（2）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。在实现单机自动化方面：

a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工 上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工 件，可实现自动生产。c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。

3．3 机械手的主要特点

（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类 有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和 结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。

（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和 延伸人的功能。

（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人 为的操作错误。

（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性 生产的需要。

（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。

3．4 机械手的技术发展方向

国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件 进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉 传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓 取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法： 一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件 的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能：

（1）能准确的抓住方位变化的物体。

（2）能判断对象的重量。

（3）能自动避开障碍物。

（4）抓空或抓力不足时能检测出来。

这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它

是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事 繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的 工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不 能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重 要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合 理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机 械手的应用必将飞跃发展。

3．5 机械手坐标形式与自由度的选择

3．5．1 机械手坐标形式选择

机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机 械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑 用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机 械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐 标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。

3．5．2 机械手自由度选择

3．6 机械手的规格参数

抓重：300N 手臂运动参数： 自由度：4 个 坐标形式：圆柱坐标式

伸缩行程（X）：400mm 伸缩速度： 升降速度： 回转范围： 回转速度： 手腕运动参数： 回转范围： 回转速度： 位置检测： 驱动方式： 控制方式： 0°~180°

重复定位精度：3mm

3．7 手部设计基本要求

3．7．1 手部设计基本要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动 机构所需的驱动力大小是不同的。

（2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。

（3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减 轻手臂负载。

（4）应保证手抓的夹持精度。

3．7．2 手部力学分析 通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置 采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析： 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指的滑 槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 和 B。又因为 所以a ——— 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）α——— 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角 由分析可知，当驱动力 F 一定时，α角增大，则握力 FN 也随之增大，但α角过 大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30o~40o。

3．7．3 夹紧力与驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用 点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运 动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算： 2—— 销轴 3—— 杠杆式中K1——安全系数，通常 1.2~2.0； K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按 K2=1+a/g,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax /t 响，g 是重力加速度，g=9.8m/s2。Vmax——运载时工件最大上升速度； t 响——系统达支最高速度的时间，一般选取 0.03~0.5； K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G——被抓取工件所受重力； 表 1 驱动力与液压缸工件压力关系图

作用在活塞上外力 F(N)50000 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0

液压缸工件压力 MPa

液压缸工作压力 MPa

设 a=40mm,b=80mm,α=30o,机械手达到最高响应时间 0.5s,夹紧力 FN,驱动力 F 和驱动 液压缸的尺寸。（1）设 K1=1.6 K2=1+a/g 设 Vmax=70mm/s t 响=0.5s 根据以上公式得：

（2）根据驱动力公式得：

由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取η =0.85~0.9。

（3）取 η=0.85

（4）确定液压缸的直径 D

选取活塞直径 d=0.5D,选择液压缸工作压力 P=0.8~1Mpa.所以

根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5×5=25mm.所以手部夹紧液压缸的主要参数为：

液压缸内径 D 50mm 活塞杆直径 d 25mm 工作压力 p 0.8MPa 驱动力 F 859.06N

3.7.4 手抓夹持范围计算

为了保证手抓张开角为 120o，设手抓长为 100mm，当手抓没有张开角的时候，根 据机构设计，它的最小夹持半径 Rmin=40mm,当张开角为 120o 时，根据双支点回转型 手抓的误差分析，取最大夹持半径 Rmax=60mm。所以机械手的夹持半径为 40~60mm。3．7．5 手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件

定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性 好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取 决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误 差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内 的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为 40~60mm,一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： 手抓长 L=100mm,取Ｖ型夹角 2θ=120 偏转角β按最佳偏转角确定： 计算得 式中 因为

Ro——理论平均半径 Rmax>Ro>Rmin

所以

△=0.939

夹持误差满足设计要求。

3．8 机械手腕部设计计算

3．8．1 腕部设计的基本要求

（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的 结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设 计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。

（3）工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环 境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因 素。

3．8．2 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为：

（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而 被广泛使用。

（2）用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 270o 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。

（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。

（4）机—液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转 180o，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转 缸驱动腕部结构。3．8．3 腕部回转力的计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：

（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M 摩 为简化计算，一般取 M 摩=0.1M 总力矩

（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏式中G1——夹持工件重量（N）。e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。

（3）克服启动惯性所需的力矩 M 惯 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间 t 启，按下式计 算：或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启计算：

式中 J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。J—— 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。ω—— 手腕回转过程的角速度（rad/s）。t 启——启动过程中所需时间，一般取 0.05~0.3s。φ启——启动过程所转过的角度（rad）。手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即：设抓取一根轴，其直径 D=100mm,长度 l=500mm,m1=50kg,当手抓夹持在工件中间位 置回转 180o，将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长 h=150mm,半径为 50mm，其所受重力为 G，启动过程所转过的角度φ启=0.314rad,等速 转动角速度ω=2.616rad/s。圆柱体重力 因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0，即 e 等于 0，所以 M 偏=G1e=0。由于又因为 所以即 3．8．4 腕部工作压力计算 表 2 标准液压缸内径系列（JB826-66）20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250

设定腕部的部分尺寸： 根据上表设缸体内孔半径 R=55 mm,外径选择 133mm,考虑到实 际装配问题后，其外径为 180mm，动片宽度 b=66mm,输出轴半径 r=22.5mm。表 3 标准液压缸外径系列（JB1068-67）液压缸内径 20 钢 P≤160MPa 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200

168 146 180 194 219 245

钢 P≤200 MPa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总力矩，即：

式中 M 总力矩——手腕回转时的总的阻力矩（N.m）P——回转液压缸工作压力（Mpa）R——缸体内孔半径（mm）r——输出轴半径（mm）b——动片宽度（mm）所以 所以腕部回转液压缸主要参数为： 工作压力 P 1MPa 缸体内径 R 110mm 输出轴半径 r 22.5mm 回转力矩 M 13.1N.m 动片宽度 b 66mm

3．8．5 液压缸盖螺钉计算 表 4 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 工作压力 P（MPa）0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~5.0 5.0~10.0 螺钉的间距 t(mm)

直径（mm）FQs´——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力（N）b——动片宽度（mm）P——回转液压缸工作压力（Pa）螺钉的强度条件为：螺钉材料选择 Q235,取σs=240MPa,则即动片和输出轴间联接螺钉的直径选择 d1=6mm,选择 M6 的开槽盘头螺钉。式中［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa）d 1——螺钉的直径（mm）

3．9 机械手臂部设计计算

3．9．1 臂部设计的基本要求

（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（2）臂部运动速度要高，惯性要小

（3）手臂动作应该灵活

（4）位置精度要高 3．9．2 臂部的结构选择 常见的手臂伸缩机构由以下五种：

（1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉 压，故受力简单传动平稳。

（2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构 其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加 手臂刚性。

（3）采用花键套导向的手臂升降机构 内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注 意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。

（4）双活塞杆液压缸结构 活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。

（5）活塞杆和齿轮齿条机构 手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接 的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双向导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动，液 压缸选取双作用液压缸。3．9．3 手臂伸缩驱动力计算 伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯 式中 F 摩——手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。F 密——密封装置处的摩擦阻力。F 回——液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。F 惯——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。

（1）F 摩的计算 经计算 式中 G 总——参与运动的零部件所受的总重量（N）。L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离（mm）a—— 导向支撑的长度（mm）μ´——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取

μ=0.1~0.15 钢对铸铁：取μ=0.18~0.3 计算： 导向杆的材料选择钢、导向支撑选择铸铁，L=700mm,导向支撑 a=420mm,带入数据得：

（2）F 惯的计算 经计算

式中Δv——由静止加速到常速的变化量（mm/s）。Δt——启动过程时间（t），一般取 0.01s~0.5s。手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δ

t=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：

（3）F 密的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密

封圈，当液压缸工作压 力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱

（4）F 回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯=3640+0.03 F 驱

+338.8 所以手臂伸缩驱动力 F 驱= 4102N 3．9．4 手臂伸缩液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F P=1MPa。

（1）液压缸内径计算

驱= 4102N，因此选择液压缸的工作压力当油进入无杆腔： 当油进入有杆腔： 所以式中 F 驱—— 手臂伸缩液压缸驱动力（N）

D ——液压缸内径（mm）d——活塞杆直径（mm）η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 P1——液压缸的工作压力（MPa）带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=80mm

（2）活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于 直径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：

设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100~120 MPa,取［σ］=100 MPa 即 表 5 活塞杆直径系列（JB826-66）18 40 75 5 20 45 80 5 22 50 85 8 25 55 90 10 28 60 95 12 30 63 14 32 65 16 35 70

根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=8mm。所以手臂伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径 D 80mm 工作压力 P 1MPa 活塞杆直径 d 8mm 驱动力 F 4720N

3．10 机身升降机构计算

3．10．1 手臂偏重力矩的计算

图 5 手臂各部件重心位置图 设 所以 设

所以偏转力矩 式中ρ——重心到回转轴线的距离(mm)3．10．2 升降导向立柱不自锁条件 手臂在 G 总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。由力平衡条件得：

所谓不自锁条件为：

即因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于 391mm。式中 f——摩擦系数 h——立柱导套的长度 3．10．3 手臂升降驱动力的计算 由手臂升降驱动力的公式得： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯±G 总

（1）F 摩的计算

所以

（2）F 惯的计算 经计算 式中Δv——由静止加速到常速的变化量(mm/s)。Δt——启动过程时间(t),一般取 0.01s~0.5s。

手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δt=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：

（3）F 密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工 作压力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱

（4）F 回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以当液压缸向上驱动时 当液压缸向下驱动时

3．10．4 手臂升降液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F 驱，因此选择液压缸的工作压力 P=1MPa,为 了满足要求，此时取 F 驱=1999.2N 进行计算。

（1）液压缸内径计算：当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：所以式中 F 驱——手臂升降液压缸驱动力(N)D——液压缸内径(mm)d——活塞杆直径(mm)η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 P1——液压缸的工作压力(MPa)带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=55mm

（2）活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于直 径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100MPa 即根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=6mm 所以手臂升降液压缸主要参数为：工作压力 P 1MPa 液压缸内径 D 55mm 活塞杆直径 d 6mm 驱动力 F 1999.2N

3．11 机身回转机构的计算

3．11．1 手臂回转液压缸驱动力矩计算 手臂回转液压缸驱动力矩

（1）M 惯的计算 回转部件可以等效一个高 1500mm,半径为 60mm 的圆柱体，圆柱体重量为 G 总=800N，M 驱=M 惯+M 密+M 回设启动角速度

Δω=0.314rad/s,启动时间Δt=0.1s。所以

（2）M 密与 M 回的计算 为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩 M 密=0.03M 驱，由于回油背差一般非常的小，故 在这里忽略不计，即 M 回=0。因此 3．11．2 手臂回转液压缸参数计算 设 b=60mm,液压缸工作压力 P=4MPa,d=50mm,则由 得 所以取液压缸内径为 140mm 式中 D——液压缸内径(mm)P——回转液压缸工作压力(MPa)b——动片宽度(mm)d——输出轴与动片联接处的直径(mm)所以手臂回转液压缸主要参数为：

工作压力 P 4MPa

液压缸内径 D 140mm

动片宽度 b 60mm

输出轴直径 d 50mm

驱动力矩 M 476N.m

3．11．3 液压缸盖螺钉计算 由表 4 可以看出螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系： T 为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： FQs=FQ+ FQs FQ 为工作载荷，FQs为预紧力 液压缸工作压力为 P=4MPa,所以螺钉间距 t 小于 100mm,试选择 8 个螺钉所以选择螺钉数目合适 Z=8 个，危险截面面积所以 螺钉的强度条件为：式中 D——动片外径(mm)［σ］——螺钉材料的许用应力(MPa)d 1——螺钉螺纹内径(mm)螺钉材料选择 Q235，取σs=240MPa,则即螺钉的直径选择 d1=14mm 经过以上的计算，需要螺钉来联接，最终确定液压缸的截面尺寸，内径为 140mm,外 径为 240mm，输出轴直径为 50mm。3．11．4 动片和输出轴之间的联接螺钉由得式中 f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取 f=0.15 D——动片外径(mm)d——动片与输出轴配合处直径(mm)FQs——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力(N)b——动片宽度(mm)P——回转液压缸工作压力(Pa)

结论

通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，使我了解了当前国内外 在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手 的结构设计作了系统的分析，掌握了一定的机械设计方面的知识，为以后的工作学习奠定了基础。本次毕业设计只是对机械手的手部、腕部、臂部以及机身做了系统的设计计算，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中 了解和掌握，由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望老师见量、指正。

致谢

非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境，通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且 也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导 和亲切关怀的老师以及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕 业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着 我，在此，请允许我再次向曾经给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！

–30–

参 考 文 献

[1]李允文.工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1994

[2]陆祥生.机械手－理论与应用.北京：中国铁道出版社,1985

[3]徐濒主.机械设计手册第五卷.北京：机械工业出版社，1992

[4]张建民.工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988

[5]蔡自兴.机器人原理及其应用.长沙：中南工业大学出版社，1988

[6]冯香峰.机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991

[7]工业机械手图册编写组.工业机械手图册.北京：机械工业出版社，1978

[8]天津大学编.工业机械手设计基础.天津：天津人民出版社，1980

[9]陈明.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2005

[10]孙恒 陈作模 葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，2006

[11]周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995

[12]龚振帮.机器人机械设计.北京：电子工业出版社，1995

[13]机械工程师手册编委会.机械工程师手册第三版.北京：机械工业出版社，2007

第四篇：PLC控制机械手设计毕业论文

XXX学校

XX办学点毕业论文

课题名称：PLC控制机械手设计

专 业： 班 级： 学 籍 号： 学生姓名： 导师姓名： 提交日期：

PLC控制机械手设计

（姓名）

摘 要：机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。本课题主要研究的问题是“近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动式”。设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。采用同一驱动能源--气泵。行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。气压泵固定在某处，用一根软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。关键词：机械手，气压驱动，自动移动，气泵

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

一、机械手组成

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。

（一）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。

1、手部：即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

2、手腕：是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

3、手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、立柱：是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

5、行走机构：机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6、机座：它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。

（二）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。

1、液压传动：是以油液的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然有的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

2、气压传动：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动：即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动。其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于为工作主机的上、下料。

4、电力传动：即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

（三）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。

（四）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。

二、设计内容

这里介绍我将要做的近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动。

（一）气源系统

压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源，空气压缩机是将动力机供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。

（二）气动执行机构

气动执行机构由气缸和气动马达。气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。气缸可分为：单向作用式气缸和双作用式气缸。气动马达是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，其作用同于液压传动的油马达。它输出力矩，驱动机构作回转运动。

（三）空气控制阀

1、压力控制阀分为：调压阀、安全阀和顺序阀等。

2、流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以改变执行机构的工作速度。流量控制阀主要有节流阀、单向截流阀和排气节流阀等。

3、方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动原件。方向控制阀在整个气动元件中数量占有相当大的比例，并在气动系统中起着神经中枢的作用。

（四）气动基本回路

1、方向控制回路主要有：单作用气缸中间停止回路，双作用气缸换向回路，双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路，延时控制回路。

2、速度控制回路主要有：单作用气缸的速度控制回路，双作用气缸单向速度控制回路，双作用气缸双向速度控制回路，双作用气缸速回运动控制回路，双缸同步动作的速度控制回路，缓冲回路。

（五）其他部分

行走机构有：车轮式行走机构，履带式行走机构，步行式行走机构。

三、机械手的发展趋势

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。

参考文献

[1]曹承志.电机、拖动与控制学.第3版.北京：机械工业出版社,2000 [2]王庭树.机器人运动学及动力学.第2版.西安：西安电子科技大学出版社，1990.12 [3]孟繁华.机器人应用技术.第1版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.6 [4]马香峰.机器人机构学.第1版.北京：机械工业出版社,1991.9 [5]赵锡芳.机器人动力学.第1版.上海：上海交通大学出版社，1992.12 [6]高松海.遥控机器人.第1版.北京：原子能出版社，1981 [7]孙耀明.微型机算计在机器人技术中的作用.第1版.北京：科学技术文献出版社，1987 [8]路甬祥.液压气动技术手册.第2版.北京：机械工业出版社,2002

第五篇：基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)

第四章 程序设计

第四章 程序设计

4.1 编程软件简介

STEP 7-Micro/WIN是西门子公司为S7-200系列PLC的开发而设计的，是基于Windows操作系统的应用软件，其功能非常强大，操作方便，使用简单，容易学习。软件支持中文界面。其基本功能是创建、编辑和修改用户程序以及编译、调试、运行和实时监控用户程序。运行STEP 7-Micro/WIN软件，看到的是英文界面。如果想切换为中文环境，执行菜单命令Tools”→“Options”，点击出现的对话框左边的“General”图标，在“General”选项卡中，选择语言为“Chinese”，单击“OK”按钮后，软件将退出。退出后，再次启动该软件，界面和帮助文件均变为中文，在开始程序设计前必须对PLC进行通信连接，的那个PLC通信连接后在开始运行或者修改程序，在PLC程序梯形图中，程序被分成称为“网络”的一些段。一个网络是触点、线圈和功能框的有序排列。能流只能从左向右流动，网络中不能有断路、开路和反方向的能流。书写Plc程序的方法为在LAD编辑器中，它有4种输入程序指令的方法：鼠标拖放、鼠标单击、工具栏按钮、特殊功能键（如F4、F6、F9等）LAD程序使用线段连接各个元件，可以使用工具栏上的“向下线”、“向上线”、“向左线”、“向右线”等连线按钮，或者用键盘上的Ctrl+上、下、左、右箭头键进行编辑。STEP 7-Micro/WIN软件支持常用编辑软件所具备的插入和删除功能。通过键盘或者菜单命令可以方便地插入和删除一行、一列、一个网络、一个子程序或者中断程序，在编辑区右键单击要进行操作的位置，弹出快捷菜单，选择“插入”或“删除”选项，在弹出的子菜单中单击要插入或删除的项。子菜单中的“竖直”用来插入和删除垂直的并联线段。可以用“编辑”菜单中的命令进行以上相同的操作。按键盘上的Delete键可以删除光标所在位置的元件。在编写程序完成后，必须对程序进行编译，当程序编译无误后才能下载至PLC运行，4.2 程序总体设计

由于设计中机械手运动方式有5种模式，分别是手动、自动回原点、连续、单周期、单步5种工作方式，且必须保证在每种模式工作下相互之间互不干扰，为了减少PLC的输入点，使程序简单明了，采用主程序OBI加子程序模块的编写方式，由于每种程序运行前都有一些必要的前期准备工作，例如在单步、单周期、连续工作时必须保证

第四章 程序设计

机械手处于原点位置，而在每种模式下工作机械手都有运送工件的操作，所以可将每种模式下工作的程序中都应具备的条件作为公用程序，为各种工作模式做前期准备工作，而公用程序是无条件执行的，即当下载并运行程序后PLC程序后自动扫描并运行公用程序，为子程序的运行做准备，设计中机械手有5种工作方式，而其中的单周期和连续工作方式所用的顺序功能图是同一个，其去呗仅仅是单周期只是允许机械手运行一次，而连续模式则是要求机械手连续不断的运行，所以可以将单周期和连续工作作为一个单独的子程序编写；手动工作方式是为便于对机械手的检修而设计的，其操作并不存在必然的逻辑连续，即步与步之间的操作互不影响，所以用一个单独的子程序表达即可，而自动回原点程序是为其他各种工作方式做准备的，为了保证程序的运行稳定，在该模式下工作时，机械手无论处于任何位置都将自动返回原点，其步与步之间存在一定的逻辑关系，可以用一个单独的子程序编写；单步工作方式是主要是为了调试机械手运动是否稳定可靠而设计的，虽然其运动过程和单周期、连续工作的过程一样，但在操作上存在一定的区别，单周期和连续式要求系统在按下启动按钮后程序将自动进行步与步之间的转换，而单步工作方式是按下一次启动按钮系统将向前进行一步并停止，若要继续下一步的操作，必须在按一次启动按钮，为了不和连续单周期的程序发生冲突，所以将单独为单步程序编写一个子程序，且其位存储器也区别单周期和连续工作方式，目的是为了保证程序能稳定运行。

4.3 程序主体部分

4.3.1主程序OBI 语句表 LD SM0.0 CALL 公用:SBR0 LD SA1:I2.0 CALL 手动:SBR1 LD SA2:I2.1 CALL 自动回原点:SBR3 LD SA5:I2.4 O SA4:I2.3 CALL 自动程序:SBR2 LD SA3:I2.2

第四章 程序设计

CALL 单步:SBR4 以上指令为主程序块指令，在主程序块中，可以选择相应的输入点来选择工作模式，每次只能选择一种对应的工作模式，当选择了对应的模式后，程序将自动调用相应子程序并运行，例如,当选择了手动或者回原点程序后，系统将自动调用手动子程序或者回原点子程序，但不可以同时选择两种工作模式，因为机械手不可能同时在两种模式下工作，例如，的那个机械手选择了连续工作后，若此时在选择回原点，机械手将无法判断是进行连续操作还是回到原点位置。4.3.2 公用程序语句表 LD SQ4:I0.4 原点条件 A SQ2:I0.2 AN Q0.1 S M0.5, 1 = Q0.5 LD SM0.1 初始状态 O SA1:I2.0 O SA2:I2.1 LPS A M0.5 S M0.0, 1 LPP AN M0.5 R M0.0, 1 LD SA1:I2.0 复位非初始步 O SA2:I2.1 R M2.0, 8 LD M2.0 复位原点标志 R M0.5, 1 以上为公用程序指令，公用程序是无条件执行的，它用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同工作方式之间的相互切换处理，程序中当做限位开关I0.4好上 17

第四章 程序设计

限位开关I0.2的常开触点和表示机械手松开的Q0.1的常闭触点的串联电路接通时，原点条件M0.5为ON，此时原位型号指示灯Q0.5接通，在开始执行用户程序SM0.1为ON时，系统处于手动状态或自动回原点状态，初始步对应的M0.0将被置位，未进入单步、单周期、连续工作方式做准备，若此时M0.2为OFF状态，初始步为不活动步，即使此时按下启动按钮也不能进行单步、单周期、连续工作的操作。4.3.3手动程序语句表 LD I1.2 夹紧 S Q0.1, 1 LD SQ3:I0.3 松开 O SQ4:I0.4 LPS A I0.7 R Q0.1, 1 LRD 上升 A I0.5 AN SQ2:I0.2 AN Q0.0 = Q0.2 LPP 下降 A I1.0 AN SQ1:I0.1 AN Q0.2 = Q0.0 LD I0.6 左行 AN SQ4:I0.4 A SQ2:I0.2 AN Q0.3 = Q0.4 LD I1.1 右行 18

第四章 程序设计

AN SQ3:I0.3 A SQ2:I0.2 AN Q0.4 = Q0.3 以上是手动程序的指令，启动程序并按下手动操作按钮I2.0时接通手动子程序，为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了必要的连锁，设置上升与下降之间、左行与右行之间的互锁，以防止功能相反地来年各个输出同时为ON，即当机械手左行时一定不可能进行右行，当机械手下降过程中，输出上升Q0.2一定为OFF状态。指令中的限位开关I0.1/I0.2/I0.3/I0.4的常闭触点是用来限制机械手的移动范围，即当机械手碰到限位开关时，相应的电磁阀断电机械化手停止运行，限位开关可以防止意外的发生，而上限位开关I0.2的常开触点与控制左、右行的Q0.4和Q0.3的线圈串联，只有当机械手上升到最高位置时才能左右移动，此设置可以防止机械手在较低位置运行时与别的物体碰撞发生损坏，而只有当机械手在做左边或者最右边时才允许执行上升、下降和松开工件的操作，在手动模式下，当按下I1.1时，机械手局执行夹紧操作，输出Q0.1并被置位，当按下I0.3时Q0.1被复位，此时PLC没有输出，按下I0.5和I0.4是机械手上升，按下I0.4和I1.0时，机械手下降，同时按下I0.6和I0.2时机械手左行,同时按下I1.1和I0.2时机械手右行，这既是机械手在手动状态下的全部操作。4.3.4 自动程序语句表 LD SA5:I2.4 O I2.6 O SA4:I2.3 AN I1.7 = M0.6 转换允许 LD SQ4:I0.4 A SA4:I2.3 O M0.5 A M0.6 O M0.0 19

第四章 程序设计

AN I1.7 AN M3.1 = M0.0 初始步 LD M4.0 A SQ4:I0.4 A SA5:I2.4 LD M0.0 A I2.6 OLD A M0.6 O M3.1 AN I1.7 AN M3.2 = M3.1 R M0.5, 1 LD M3.1 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.2 AN I1.7 AN M3.3 = M3.2 LD M3.2 A T37 O M3.3 A M0.6 AN I1.7 AN M3.4 = M3.3

下降 夹紧 上升

第四章 程序设计

LD M3.3 A SQ2:I0.2 A M0.6 O M3.4 AN I1.7 AN M3.5 = M3.4 LD M3.4 A SQ3:I0.3 A M0.6 O M3.5 AN I1.7 AN M3.6 = M3.5 LD M3.5 A SQ1:I0.1 A M0.6 O M3.6 AN I1.7 AN M3.7 = M3.6 LD M3.6 A T38 A M0.6 O M3.7 AN I1.7 AN M4.0 = M3.7 LD M3.7

右行 下降 松开 松开 21

第四章 程序设计

A SQ2:I0.2 A M0.6 O M4.0 AN M3.1 AN I1.7 AN M0.0 = M4.0 LD M3.1 O M3.5 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 LD M3.2 S Q0.1, 1 TON T37, 20 T37LD M3.6 R Q0.1, 1 TON T38, 20 T38LD M3.3 O M3.7 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 LD M3.4 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 LD M4.0 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 LD M0.0 = Q0.5

左行 夹紧置位 计时器 计时器 上升 右行 左行 原位指示灯22

第四章 程序设计

以上用起保停电路编写的自动程序指令，当启动系统是，按下I2.4时将接通自动程序子程序，指令中的M0.6的常开触点接在每一个控制代表步得存储器位的启动电路中，当它们断开时将禁止步与步之间的活动状态转换，单周期与连续的工作方式相似，下面具体介绍两者的工作的过程，当启动系统并进入连续工作模式，即按下I2.4后，系统进入连续工作状态，此时步与步之间的转换标志M0.6被接通，系统扫描时首先执行公用程序，M0.0被置位，当扫描自动程序时，按下启动按钮I2.6后系统进入M3.1步，此时机械手开始运行离开原点位置开始下降，输出为Q0.0，此时原点标志N0.5被复位，当机械手碰到下限为开关I0.1时是停止运行，此时线圈M2.1接通，机械手执行抓紧工件的操作，Q0.1被置位，输出为0.1，此时并接通T37计时器延时2秒保证能安全稳定的抓取工件，当延时结束时接通线圈M3.2，机械手开始上升，输出为Q0.1、Q0.2，当机械手碰到上限位开关I0.2时停止运行，此时接通线圈MM3.3，机械手开始右行，其输出为Q0.1、Q0.3，当机械手右行到位碰到右限位开关时停止运行，此时接通线圈M3.4，机械手继续夹紧工件执行下降操作，输出为Q0.1、Q0.0，当机械手碰到下限位开关I0.1时，线圈M3.5得电，此时Q0.1被复位，机械手执行松开工件的操作，接通计时器T38并延时2秒，保证完全放开工件，计时结束后，接通线圈M3.6，此时机械手开始上升，输出为Q0.2，当上升到位时碰到上限位开关I0.2，机械手停止上升，并接通线圈M3.7，机械手开始左行返回原点，当机械手碰到左限制为开关时停止，此时机械手完成一个周期的运行，由于我们选择的连续运行模式，机械手在左移过程中碰到上限位开关的同时接通了线圈M4.0，此时M4.0步将转换到M.1步并接通线圈M3.1，如此循环往复的进行下去，机械手就达到了连续操作的目的，若此时我们选择的是单周期操作。即启动系统是我们按下的按钮为I2.3，当系统进行到最后一步是接接通线圈M4.0后。I2.4为OFF状态，系统将不能进入M3.1步，而转入M0.0步的初始状态由于没有碰到左限位开关断电也不能运行M0.0步，这样既可以达到单周期运行的目的。

4.3.5 自动回原点语句表

LD I1.2 S Q0.1, 1 LD I2.6 A Q0.1

第四章 程序设计

AN SQ3:I0.3 O M1.0 AN I1.7 AN M1.1 = M1.0 上升 LD M1.0 A SQ2:I0.2 O M1.1 AN I1.7 AN M1.2 = M1.1 = Q0.3 LD I2.6 A SQ3:I0.3 A Q0.1 LD M1.1 A SQ3:I0.3 OLD O M1.2 AN I1.7 AN M1.3 = M1.2 = Q0.0 LD M1.0 O M1.4 = Q0.2 LD M1.2 AN I1.7 A SQ1:I0.1

右行 下降 上升 24

第四章 程序设计

O M1.3 AN I1.7 AN M1.4 = M1.3 R Q0.1, 1 夹紧复位 TON T39, 20 LD I2.6 AN Q0.1 LD M1.3 A T39 OLD O M1.4 AN I1.7 AN M1.5 = M1.4 上升 LD M1.4 A SQ2:I0.2 O M1.5 AN I1.7 AN SQ4:I0.4 = M1.5 = Q0.4 左行

以上指令为自动回原点程序的语句表，当我们在主程序中选择了自动回原点工作模式后即按下I2.1后，机械手自动返回原点，该程序的设计思路是让那个机械手能在任何位置和状态下按下自动回原点按钮后能自动返回原点，若子啊运行中出现特殊问题时，可通过停止按钮I1.7停止机械手的运行，介于机械手在工作过程中可能停留在任何位置，所以我们根据机械手当时所处的状态和位置将其分为三种情况进行处理，并将其编写在同一字程序中，当机械手夹紧装置松开时即Q0.0为0状态，因为机械手是按照工作流程一步一步进行操作的，此时机械手没有夹持工件，只可能处于

第四章 程序设计

上升状态和左行状态，可直接返回原点，当我们选择了自动回原点工作方式按下启动按钮I2.6后应进入程序中的M1.4步，此时的转换条件为I2.6 Q0.1，如果此时机械手已经在最上面，上限位开关I0.2为1状态，在进入上升步后，因为转换条件已经满足，将马上转到左行步返回原点，此为第一种情况，第二种情况是当机械手处于夹紧状态，且机械手在最右边时，此时夹紧装置Q0.1和右限位开关I0.3均处于1状态，而此时应将工件放下后才能返回原点位置，按下启动按钮I2.6后，机械手转入下降步M1.2，转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3，首先执行下降和松开操作，将工件放下后，机械手即返回原点，这是第二种情况，最后一种情况是当机械手装置处于夹紧状态，但机械手不在最右边时，此时夹紧输出Q0.1为1状态，右限位开关I0.3为0状态，当按下启动按钮后应进入步M1.0，此时转换条件为I2.6.Q0.1.I0.3 ,机械手进入步M1.0后将按顺序执行一个此工件的搬运工作后返回原点，即执行上升、右行、下降、松开、上升、左行返回原点。这既是机械手可能存在的位置情况划分，当机械手返回原点后公用程序中的原点条件标志M0.5和原位指示灯Q0.5应为1状态，当系统处于原点位置时即可以进行自动程序的运行。4.3.6 单步程序语句表 LD SM0.0 O M3.0 A I2.6 A SA3:I2.2 A M0.5 A M0.0 O M2.0 AN I1.7 AN M2.1 = M2.0 启动 LD M2.0 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 26

第四章 程序设计

O M2.1 AN I1.7 AN M2.2 = M2.1 下降 LD M2.1 A SA3:I2.2 A I2.6 A T37 O M2.2 AN I1.7 AN M2.3 = M2.2 LD M2.2 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.3 AN I1.7 AN M2.4 = M2.3 LD M2.3 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ3:I0.3 O M2.4 AN I1.7 AN M2.5 = M2.4 LD M2.4

夹紧 上升 右行27

第四章 程序设计

A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ1:I0.1 O M2.5 AN I1.7 AN M2.6 = M2.5 LD M2.5 A SA3:I2.2 A I2.6 A T38 O M2.6 AN I1.7 AN M2.7 = M2.6 LD M2.6 A SA3:I2.2 A I2.6 A SQ2:I0.2 O M2.7 AN I1.7 AN M3.0 = M2.7 LD M2.7 A SQ4:I0.4 O M3.0 AN M2.0 AN I1.7 = M3.0

下降 松开 上升 28

第四章 程序设计

S M0.5, 1 左行 LD M2.0 O M2.4 AN SQ1:I0.1 = Q0.0 = Q0.5 夹紧置位 LD M2.1 S Q0.1, 1 TON T37, 20 夹紧 T37计时器计时 LD M2.5 R Q0.1, 1 TON T38, 20 松开 T38计时器计时 LD M2.2 O M2.6 AN SQ2:I0.2 = Q0.2 上升 LD M2.3 AN SQ3:I0.3 = Q0.3 右行 LD M2.7 AN SQ4:I0.4 = Q0.4 左行

以上语句表为单步程序的子程序语句，在设计此程序是因为其实现的功能和单周期操作一样，但单周期实现的为连续的操作，中间没有间断不需要人为的干扰便可自动运行，而单步工作是一步一步进行，且每一步的进行都需要人工启动，主要是为了调试机械手而设计的操作，为了不和自动程序发生冲突，为单步工作方式单独编写独立的子程序，并采用区别于自动程序的位存储器M2.0到M3.0。当在主程序中选择了单步工作方式后，即按下单步工作按钮I2.2后即开始运行单步程序，因为单步状态必须送原电位置开始启动运行，左移此时系统扫描会先无条件执行公用程序，此时若机

第四章 程序设计

械手手处于原点状态，则原点标志M0.5和原位信号指示灯Q0.5将为1状态，此时我们按下启动按钮I2.6后便接通M2.0步，此时机械手开始下降，当碰到下限位限位开关I0.1时停止运动，但并不马上转到下一步的操作，此时必须人为的按下启动按钮I2.6后才可接通M2.1步，此时机械手执行夹紧操作，若此时正在调试机械手的运行情况，便可观察到机械手在夹紧工件的过程中是否能在规定的2S时间内完成夹紧操作，若未能完成夹紧操作造成工件掉落，说明程序设计中给定的时间太短，又或者机械手夹取装置防滑性能不好，便可找出原因对机械手程序进行修改或者对夹取装置进行改进，当在按下启动按钮I2.6后机械手夹紧工件开始向上运行，的那个碰到上限位开关I0.2后停止运行，在此过程中我们可以检查机械手的上限位和下限位限位开关、上升电磁阀和下降电磁阀是否正常工作，若为正常工作，机械手将不会停止，若此时发生故障不能停止，可通过停止按钮I1.7强行停止机械手的运行，然后找出问题所在，机械手的单步工作程序的工作流程和单周期、连续操作一样，区别在于其使用上，单周期和连续式为生产加工工件而设计，而单步是为检修机械手而设计，在通过一次次按启动按钮的过程中观察机械手的运动情况和稳定性，来检修设备。4.3.7 PLC程序调试模拟调试

PLC程序模拟调试是使用S7-200仿真软件对已编好的机械手运动控制程序进行调试，在调试程序时需对仿真软件进行CPU模块配置，本次调试中我们选择CPU226模块进行调试，然后将PLC程序用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导出功能将机械手运动程序保存为仿真软件所支持*awl文件格式，然后将*awl文件加载到使用仿真软件中并下载，即可以开始调试程序，调试时，可用鼠标点击CPU模块下的开关面板上面的黑色部分，的那个开关向上是，触点闭合，对应的输入点变为绿色，但开关向下时，即出点断开，输入点变为灰色，在运行程序后，可通过观察输入点的颜色变化来检查程序是否正确，本次仿真实验的截图如下图4-1所示: 30

第四章 程序设计

图4-1 4.3.8 上机调试

上机调试是在实际的PLC编程器上对程序进行调试和修改，当在计算机上对PLC程序模拟调试完成后，还应实际在PLC上对程序进行调试，以保证程序的完整和正确，在调试进行前，应对PLC进行连线并检查PLC的各输入输出点是否正常工作，在确认PLC无任何输入输出点故障时，变可将写好的OLC程序通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件导入计算机，首先我们应对PLC进行通信调试，在通信前应将PLC调解至RUN模式，然后将V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件和PLC控制器连接起来，在计算机和PLC通信成功后，将PLC在软件中进行编译，在确认无错误后，将机械手运动控制程 31

第四章 程序设计

序下载至PLC，然后通过鼠标操作计算机中的V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件，然后点击软件中的小三角符号，即开始运行程序，然后观察PLC的输出点是否和程序中的输出一致，由于在本次上机调试中，程序中的一些输入点为机械手的限位开关，在实际中是有机械手的运动通过物理方法启动，在上机调试过程中我们没有机械手进行相应的工作，只能由人工将相应的输入点按下，其实际效果和机械手按下一样，然后观察输入输出是否对应，在调试过程中我们可以通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件来辅助查看调试的结果，如程序出现错误，可以通过软件中的开始状态表监控、符号表、交叉引用表来检查程序中的错误点以便帮助我们修改程序。4.3.9 程序调试中遇到的问题

在本次程序调试中遇到的问题主要有，在对单步程序、单周期和连续程序进行调试时，在开始调试时三个程序是共用一个子程序即自动程序，由于三者的工作过程相近，所以在开始写程序时便将三个程序卸载一个子程序中运行，到哪子啊实际的上机调试过程中单周期和自动程序能够按照预定的要求运行，在运行单步程序时，却无法进行，经过对程序的检查分析后，是由于PLC程序中的一些软继电器和软元件位置在置位和无法自动复位，由于三种工作过方式共用一个子程序，也造成了一些位储器没有正常工作，由于多次的输入造成冲突，使程序无法正常运行，在几经调整后，决定单独为单步程序编写一个独立的子程序并使用了区别于单周期和连续的位存储器后，问题得到解决，单步程序和单周期、自动程序均可以正常运行，在其他的程序调试过程中，由于程序相对简单，未遇到问题，调试结果和预期结果一致。

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