1、 搬运机械手远程监控的实现 摘 要 搬运机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。 在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手， 它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运 , 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 本机械手的机械结构主要包括由两个步进 电机来实现机械手的上升下降运动；利用PLC 程序控制可以实现机械手的控制要求 ,
2、通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，实现机械手的夹紧与放松，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、 PLC、液压系统组成的整体具有高效、安全、经济、实用等特点。其动作过程包括：上移、下移、左移、右移、夹紧、放松；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续等，来满足生产中的各种操作要求。 关键词： 搬运机械手；可编程控制器（ PLC）；步进电机；电 磁阀 The Realization of the Handling Robot Remote Monitoring ABSTRACT Manipulator
3、 is to imitate some movements and arm function, with automatic operating device is fixed procedures crawling, handling objects or operating tool. The manipulator used in the industrial production is called industrial manipulator, it can replace human labor in order to realize the mechanization and a
4、utomation of production. With the development and popularization of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive,electronics, machinery manufacturing, food, medicine and other fields of production line
5、s or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. The mechanical structure of the manipulator is mainly composed of two step
6、 motor to realize the rise of manipulator motion; use PLC program control can realize the control of the manipulator, the movement of each action solenoid valve through the ladder diagram program, realize clamping manipulator and relax, limit switch with the limit position, continuous operation accu
7、rate and circulation. System with hydraulic drive mode, avoiding the use of three-phase asynchronous motor, has the advantages of preventing overload. Manipulator, PLC, hydraulic system consists of an integrated with high efficiency, safety, economy, practicality. The process includes: up, down, lef
8、t, right, clamping, relax; including its mode of operation: back in situ manual, single, single cycle, continuous, to meet various operation requirements in the production. Key words: Carrying manipulator； Programmable controller (PLC)； Stepping motor；Solenoid valve 目 录 第一章 机械手概述 . 1 1.1 工业机械手的组成 .
9、1 1.2 搬运机械手的应用简况 . 2 1.3 机械手的应用意义 . 3 1.4 机械手的发展概况 . 3 1.5 机械手的发展趋势 . 4 1.6 PLC概况及在机械手中的应用 . 5 第二章 搬运机械手总体设计方案 . 9 2.1 搬运机械手总体结构设计 . 9 2.2 搬运机械手结构及其动作的设计 . 9 2.3 机械手的控制过程的设计 . 10 2.4 机械手的控制要求的设计 . 11 第三章 搬运机械手硬件系统设计 . 12 3.1 电气控制的设计 . 12 3.1.1 步进电机的设计 . 12 3.1.2 电磁阀的设计 . 13 3.2 操作面板的设计 . 13 3.3 PLC部
10、分 . 15 第四章 搬运机械手的软件系统设计 . 16 4.1 系统工作方式 . 16 4.2 梯形图的总体设计 . 16 4.3 各部分梯形图的设计 . 17 第五章 组态系统调试与监控 . 27 5.1 组态的概念 . 27 5.2 组态及其特点 . 27 5.3 组态软件选择 . 28 5.4 监控系统的编写 . 29 5.4.1 工程的建立 . 29 5.4.2 变量的定义 . 31 5.4.3 脚本程序的编写 . 32 5.4.4 动画连接与调试 . 33 结 论 . 35 参考文献 . 36 附录 A . 37 附录 B . 37 附录 C . 39 致 谢 . 45 天津理工大
11、学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 1 第一章 机械手概述 1.1 工业机械手的组成 工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在工业生产中应用的工业机械 手简称为“机械手”。 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所组成 1，各部分之间的相互关系如图 1.1 所示。 图 1.1 机构相互关系图 Fig. 1.1 Relationship between organization chart 1.执行机构 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（或称抓
12、取机构） 是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的作用。 （ 2).手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。 （ 3).手臂 是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).机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。 有时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。 2.驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。 3.控制系统 控
13、制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作 的顺序（程序）、位置和时间、速度和加速度等。 4.位置检测装置 控制系统 驱动系统 执行机构 工件 位置检测装置 天津理工大学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 2 位置检测装置控制执行机构的运动位置，可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，使执行机构以一定的精度达到设定位置。 1.2 搬运机械手的应用简况 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。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办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解
14、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在 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。从这里可看出，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产生的。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，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力 劳动，很久以来就
15、要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门， 已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装
16、的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 天津理工大学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 3 1.3 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下： 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的 更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件
17、 避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用 机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进
18、行生产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。 1.4 机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且 还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。 早在 40 年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的
19、第一代机械手。 50 60 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特机械手即属于这种类型。 60 70 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点 焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 天津理工大学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 4 90 年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90 年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展
20、，机械手技术也得到飞速的多元化发展。 总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机 械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。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系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 1.5 机械手的发展趋势
21、 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发 展的需要。 因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以
22、更好地发挥机械 手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相 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
23、能和触觉功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工天津理工大学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 5 件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995 年，全世界约有
24、50%的汽车由机械手装配。 现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 1.6 PLC 概况及在机械手中的应用 2 1.可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（ programmable controller），现在一般简称为 PLC（ programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半 导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支
25、柱之一。 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差 。 2.PLC 的系统组成 PLC 种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用 PLC 实时控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入 /输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。 PLC 专业工业现场应用而设计，采用了典型的计算机
26、结构，它主要是由 CPU、存储器、 I/O 单元、电源、通信接口、扩展接口、编程设备等组成 3。 图 1.2 PLC 结构框图 Fig. 1.2 The PLC structure diagram 天津理工大学中环信息学院 2013 届本科毕业设计说明书 6 3.PLC 的应用概况 PLC 的应用领域非常广 ，并在迅速扩大，对于而今的 PLC 几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要 PLC，尤其近几年来 PLC 的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按 PLC 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面 4： （ 1） .用于逻辑控制 这是 PLC 最基
27、本，也是最广泛的应用方面。用 PLC 取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 （ 2） .用于模拟量控制 PLC 通过模拟量 I/O 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 （ 3） .用于机械加工中 的数字控制 现代 PLC 具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（ NC）及计算机控制（ CNC）紧密结合，实现数字控制。 （ 4） .用于工业机器人控制 （ 5） .用于多层分布式控制系统 高功能的 PLC 具有较强的通信联通能力，可实现 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与远程 I/O之间、 PLC 与上位机之间的通
28、信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 4.PLC 的特点 5 （ 1).可靠性高、抗干扰能力强 PLC 能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作， PLC 的平均无故障间隔时间 高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均无故障时间间隔长达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。 （ 2).控制系统构成简单、通用性强 由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变 PLC 的硬件设备，只需相应改变软件程序。 （ 3).编程简单、使用、维护方便 （ 4).组合方便、功能强、应用范围广 PLC 既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此， PLC 应用范围很广。 （ 5).体积 小、重量轻、功耗低 PLC 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约 1.2KW。 5.PLC 电气控制器件与指令简介 6 PLC 电气控制系统常用器件的种类有很多，例如：接触器，继电器，开关电器，主令电器等等； PLC 应用中的指令也有很多，如：传送指令，移位指令，运算指令，字符串指令，高速脉冲输出指令等等；在本次毕业设计的程序设计中主要用到的器件是行程
