plc控制机械手的设计
本文主要讨论了基于西门子PLC控制机械手的设计，首先设计了一个工作任务，然后根据任务设计总体布局及机械手的结构，选用合适的元件，并编制PLC程序，以达到多种控制要求，最后进行测试，确定方案的可行性及应该改进的方面。
目录
引言 1
一、机械手在国内外的发展历程及发展趋势 2
二、机械手的总体设计 2
三、机械结构 3
（一） 机械手手臂的结构设计 3
（二）机械手手爪的结构设计 4
（三）液压元件的选择 5
四、设计方案优化 6
（一）优化过程 6
（二）行程开关及传感器的选择 7
（三）机械手工作过程 7
五、PLC的设计 7
（一）控制要求 7
（二）PLC选型 9
（三）PLC的输入输出 9
（四）继电器分配 9
（五） 设计PLC程序 10
六、调试并运行程序 12
总结 14
参考文献 15
谢辞 16
引言
工业生产力的高低在快速发展的现代经济中，越来越成为衡量国家发展快慢的重要因素。另一方面，随着人工成本的不断提高，企业对能够替代人工的工业自动化设备的需求也越来越迫切。随着一系列现代化自动设备的研发、生产与推广，大大的减轻了工人的劳动强度，对于以前那些危险、困难的工业操作，现在是通过远程控制自动化设备使其自动完成生产来实现的。这不但可以使操作工人避免接触有害物质以避免伤害，还提高了工厂的生产效率，降低了工业生产成本，促进了社会的现代化发展。?
作为在各国现代化工业制造中应用最广泛的技术之一，机械手能够按照人们的要求完成相应的动作，并且大多数机械手能够根据生产条件的变化自动的调整生产操作，以保证生产质量的稳定性。?
机械手技术是一门综合性极强、涉及了多领域的跨学科技术。近年来，机械手的发展越来越迅速，机械手技术不断应用各种最新技术来发展自己。机械手可以借助编程软件，对于不同的生产对象，完成不同的控制，从而来提高生产效率。目前，在工业的各个领域，基本上都有对机械手技术的使用，减少了人力的使用并 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
且对生产过程实现了更好的控制，从而实现产业的最大化。?
PLC在机械手控制领域应用十分广泛，PLC技术能够远程的控制工业生产对象，实现工业的自动化生产，不仅可以使工业生产得到满足，而且使工人的工作环境得到了极大的改善，产品质量得到提高。
一、机械手在国内外的发展历程及发展趋势
对工业机械手的研究最早可追溯至二战时期的美国，为了解决核原料的搬运问题开始研究搬运机械手。二战结束十几年后，美国成功研制出了第一台工业机械手，机械手主体上有一可长臂，可做回转运动。为了实现对工件的抓取和放下在长臂端部安装了电磁铁，但该机械手只能用于搬运铁制工件。几年后美国又研制了一台类似于坦克炮塔的机械手，采用了液压驱动，手臂可以回转、俯仰、伸缩，控制系统使用磁鼓作为存储装置，这台示教型的数控机械手为之后球面坐标系机械手的发展打下了基础。同年美国机还成功制造出一种可作点位和轨迹控制的机械手，可实现回转、升降、伸缩，采用液压驱动和示教型控制系统。进一步为工业机械手的发展打下了基础。从那之后工业机器人开始相继应用于喷漆、弧焊等的生产中。1978年美国成功研制出了第一个使用电子计算机控制的工业机械手，该机械手主要用于装配工作，定位误差很小。德国对机械手的应用是从20世纪70年代初开始的，主要用于工业生产和交通运输领域，其中对焊接机械手的研究与应用十分重视。德国Kuka公司生产了一种采用关节式结构和程序控制的点焊式机械手。而在日本由于其对工业的重视，使得工业机器人发展十分迅速，由于人工匮乏促进了机械手在日本工业领域的广泛应用。我国工业机器人的发展起步较晚，但经过20多年的奋起直追，在工业机器人领域也取得了一定的成果，目前我国已能够研制生产部分机器人关键部件，开发出了各种工业机器人用于服务国内企业的自动生产线，培养了大批高端机器人领域的人才，形成了先进的初具规模的工业机器人产业。
目前，各国在工业机器人领域的角逐还远远没有结束，并且还有更加激烈的趋势，各国都投入了大量的人力财力以求在工业机器人领域有所突破，其研究的热点和趋势主要有：
1、模块化、可重构化。将机械手分为若干相互独立的功能单元，通过选择、组合功能单元来制造需要的机械手。
2、控制器的开放化。使用PC来控制机械手，使控制柜体积越来越小，结构不断模块化，器件集成度高。对工业生产的控制更加方便、智能、及时。
3、多传感器融合化。随着对控制精度和控制自动化、智能化的要求越来越高，传统的传感器将无法满足需求，对新型传感器的应用以及多传感器的融合使用将成为智能化机器人必不可少的技术。
二、机械手的总体设计
直角坐标机械手、圆柱坐标机械手、球坐标机械手以及关节机械手是比较常见的四种机械手。在本次设计中，因为设计要求是将工件从一个传送带移至另一个传送带，两传送带在同一水平面上垂直布置，该机械手在工作中需要3种运动，水平手臂的伸缩、垂直手臂的升降以及手爪的夹紧与松开，其中两手臂的运动为两个直线运动。考虑要使机械手结构简单，满足工艺要求，最终选择直角坐标机械手，此种机械手结构比较简单，且有较高的定位准确度。机械手结构选定后确定方案总体布局如图21，机械手工作示意图如图22。
图21总体布局
图22 机械手的工作示意图
三、机械结构
（一） 机械手手臂的结构设计
机械手的垂直手臂的升降和水平手臂伸缩运动都为直线运动。能够实现直线运动的传动方式有很多，此处可选用的有三种方式，分别为气动传动、液压传动以及滚珠丝杆传动。此次任务为搬运工件，工件的重量一般较大，对机械手手臂刚度要求较大，需要满足机械手运动的稳定性，综合考虑后选用液压传动。液压传动的主要元件为液压缸，液压缸既是驱动元件又是执行元件，设计简单，同时也易于控制元件控制其运动，只需控制系统对其液压系统的各种阀体的开关进行控制，即可实现对其直线的控制。液压系统提供的液压力可以很大，足够满足机械手对驱动力的要求。但因为机械手结构为直角坐标结构，其大臂为一悬臂，需要承受较大的弯曲力和弯曲力矩，为了满足机械手的刚度及稳定性需求，需要将液压缸直径设计的大一点，但同时又不能过大，否则会导致机械手自身重量过大，反而影响了稳定性。所以除了增大液压缸缸径外还要在液压缸周围设置导杆机构来满足系统的刚度要求。因此在其大臂上增加四个导杆，在液压缸周围形成正方形布置，该导杆为空心导杆，可以减少质量以及大大提高刚度，从而满足机械手刚度要求。
目录
引言 1
一、机械手在国内外的发展历程及发展趋势 2
二、机械手的总体设计 2
三、机械结构 3
（一） 机械手手臂的结构设计 3
（二）机械手手爪的结构设计 4
（三）液压元件的选择 5
四、设计方案优化 6
（一）优化过程 6
（二）行程开关及传感器的选择 7
（三）机械手工作过程 7
五、PLC的设计 7
（一）控制要求 7
（二）PLC选型 9
（三）PLC的输入输出 9
（四）继电器分配 9
（五） 设计PLC程序 10
六、调试并运行程序 12
总结 14
参考文献 15
谢辞 16
引言
工业生产力的高低在快速发展的现代经济中，越来越成为衡量国家发展快慢的重要因素。另一方面，随着人工成本的不断提高，企业对能够替代人工的工业自动化设备的需求也越来越迫切。随着一系列现代化自动设备的研发、生产与推广，大大的减轻了工人的劳动强度，对于以前那些危险、困难的工业操作，现在是通过远程控制自动化设备使其自动完成生产来实现的。这不但可以使操作工人避免接触有害物质以避免伤害，还提高了工厂的生产效率，降低了工业生产成本，促进了社会的现代化发展。?
作为在各国现代化工业制造中应用最广泛的技术之一，机械手能够按照人们的要求完成相应的动作，并且大多数机械手能够根据生产条件的变化自动的调整生产操作，以保证生产质量的稳定性。?
机械手技术是一门综合性极强、涉及了多领域的跨学科技术。近年来，机械手的发展越来越迅速，机械手技术不断应用各种最新技术来发展自己。机械手可以借助编程软件，对于不同的生产对象，完成不同的控制，从而来提高生产效率。目前，在工业的各个领域，基本上都有对机械手技术的使用，减少了人力的使用并 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
且对生产过程实现了更好的控制，从而实现产业的最大化。?
PLC在机械手控制领域应用十分广泛，PLC技术能够远程的控制工业生产对象，实现工业的自动化生产，不仅可以使工业生产得到满足，而且使工人的工作环境得到了极大的改善，产品质量得到提高。
一、机械手在国内外的发展历程及发展趋势
对工业机械手的研究最早可追溯至二战时期的美国，为了解决核原料的搬运问题开始研究搬运机械手。二战结束十几年后，美国成功研制出了第一台工业机械手，机械手主体上有一可长臂，可做回转运动。为了实现对工件的抓取和放下在长臂端部安装了电磁铁，但该机械手只能用于搬运铁制工件。几年后美国又研制了一台类似于坦克炮塔的机械手，采用了液压驱动，手臂可以回转、俯仰、伸缩，控制系统使用磁鼓作为存储装置，这台示教型的数控机械手为之后球面坐标系机械手的发展打下了基础。同年美国机还成功制造出一种可作点位和轨迹控制的机械手，可实现回转、升降、伸缩，采用液压驱动和示教型控制系统。进一步为工业机械手的发展打下了基础。从那之后工业机器人开始相继应用于喷漆、弧焊等的生产中。1978年美国成功研制出了第一个使用电子计算机控制的工业机械手，该机械手主要用于装配工作，定位误差很小。德国对机械手的应用是从20世纪70年代初开始的，主要用于工业生产和交通运输领域，其中对焊接机械手的研究与应用十分重视。德国Kuka公司生产了一种采用关节式结构和程序控制的点焊式机械手。而在日本由于其对工业的重视，使得工业机器人发展十分迅速，由于人工匮乏促进了机械手在日本工业领域的广泛应用。我国工业机器人的发展起步较晚，但经过20多年的奋起直追，在工业机器人领域也取得了一定的成果，目前我国已能够研制生产部分机器人关键部件，开发出了各种工业机器人用于服务国内企业的自动生产线，培养了大批高端机器人领域的人才，形成了先进的初具规模的工业机器人产业。
目前，各国在工业机器人领域的角逐还远远没有结束，并且还有更加激烈的趋势，各国都投入了大量的人力财力以求在工业机器人领域有所突破，其研究的热点和趋势主要有：
1、模块化、可重构化。将机械手分为若干相互独立的功能单元，通过选择、组合功能单元来制造需要的机械手。
2、控制器的开放化。使用PC来控制机械手，使控制柜体积越来越小，结构不断模块化，器件集成度高。对工业生产的控制更加方便、智能、及时。
3、多传感器融合化。随着对控制精度和控制自动化、智能化的要求越来越高，传统的传感器将无法满足需求，对新型传感器的应用以及多传感器的融合使用将成为智能化机器人必不可少的技术。
二、机械手的总体设计
直角坐标机械手、圆柱坐标机械手、球坐标机械手以及关节机械手是比较常见的四种机械手。在本次设计中，因为设计要求是将工件从一个传送带移至另一个传送带，两传送带在同一水平面上垂直布置，该机械手在工作中需要3种运动，水平手臂的伸缩、垂直手臂的升降以及手爪的夹紧与松开，其中两手臂的运动为两个直线运动。考虑要使机械手结构简单，满足工艺要求，最终选择直角坐标机械手，此种机械手结构比较简单，且有较高的定位准确度。机械手结构选定后确定方案总体布局如图21，机械手工作示意图如图22。
图21总体布局
图22 机械手的工作示意图
三、机械结构
（一） 机械手手臂的结构设计
机械手的垂直手臂的升降和水平手臂伸缩运动都为直线运动。能够实现直线运动的传动方式有很多，此处可选用的有三种方式，分别为气动传动、液压传动以及滚珠丝杆传动。此次任务为搬运工件，工件的重量一般较大，对机械手手臂刚度要求较大，需要满足机械手运动的稳定性，综合考虑后选用液压传动。液压传动的主要元件为液压缸，液压缸既是驱动元件又是执行元件，设计简单，同时也易于控制元件控制其运动，只需控制系统对其液压系统的各种阀体的开关进行控制，即可实现对其直线的控制。液压系统提供的液压力可以很大，足够满足机械手对驱动力的要求。但因为机械手结构为直角坐标结构，其大臂为一悬臂，需要承受较大的弯曲力和弯曲力矩，为了满足机械手的刚度及稳定性需求，需要将液压缸直径设计的大一点，但同时又不能过大，否则会导致机械手自身重量过大，反而影响了稳定性。所以除了增大液压缸缸径外还要在液压缸周围设置导杆机构来满足系统的刚度要求。因此在其大臂上增加四个导杆，在液压缸周围形成正方形布置，该导杆为空心导杆，可以减少质量以及大大提高刚度，从而满足机械手刚度要求。
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