某某学院毕业设计
毕业设计(论文)
项目名称机械手设计
专业
班级
学生姓名
指导教师
系
2 0 1 0 年6 月6 日
2010年6月13日某某职业学院毕业设计（论文）评语及成绩
毕业设计任务书
某某职业学院毕业设计(论文)进度考核表
注：本表用于考核学生毕业设计(论文)的进度及完成情况，是学生毕业答辩资格认定和成绩评定的依据之一。
摘要
随着时代的不断进步，人们生活水平得到了很大的改善，对休闲玩耍类的机器有了更
多的挑剔，尤其是在外面一些游乐城里的玩具机器有了更进一步的完善和柔性化，所以在现实生活中人们所创造出来的机器人和机械手类产品受到了社会的广泛应用。
本次设计的机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。但为了广大用户的需求我们还将系统更加的完善。将自动操作又分为单步，单周期和连续操作方式。由于现代社会对于自动化产品的要求逐渐深化从而使我们的设计显得更加有难度。不仅仅只是个控制而已，还要有更多的新样式，不然将被广大用户拒之门外。
例如：
一、每按依次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
二、机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后
停止在原起始点位置。
三、机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期
性循环。
在以上这个例子中，有三个方式，一个是单步运行，一个是整个程序段的运行，另一个是不断地周期运行，那么你会选择哪个更加快捷地去完成这个作业的过程呢？
答案很显然，就是用第三种方式。
所以本次设计主要采用的是电动联合气动控制机械手的方式进行设计的。
其系统的主要组成部分有如下：机械手可编程控制器水果抓取手 PLC 来进行控制设计，本系统功能实用、节约时间，使用灵活性好,安全系数高,适用范围广,生产成本低,因此,该类控制方法在市场上占有绝大部分主导地位，成为了社会中自动控制产品中的产业支柱。
关键词机械手可编程控制器水果抓取手 PLC 控制设计
目录
摘要 (5)
目录 (6)
前言 (7)
1. 机械手的介绍 (8)
1.1机械手的概述 (9)
1.2机械手的工作过程 (10)
1.3机械手的工作方式 (11)
1.4机械手的工作原理 (11)
2. 抓取水果机械手控制系统的工作任务 (11)
2.1确定所需要的用户I/O设备及I/O点数 (11)
2.2选择PLC (13)
3. 水果抓取机械手控制系统程序设计 (14)
3.1总体布局 (14)
3.2手动操作程序 (15)
3.3自动操作程序 (17)
3.4程序的下载、安装、调试 (18)
总结 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附录1 (23)
第一章前言
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品不断活跃发展迅速，机器人技术不再像开始那样只局限于传统的工业和制造业，根据现代这会的需要，目前已经被应用于众多领域。如我国研发出特种机器人、农业采摘机器人。机械手是近几十
年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手的是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手也被称为自动手，从形状上可以看出来，类似于人的手臂，同时也具备能够模仿人手和臂的某些动作功能，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。机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，所以机械手在现实生活中的使用也将越来越广泛。
在社会主义新农村建设中，如何进一步发挥农业机械化的作用，从而推进新农村建设，是农机工作者所面临的新课题。我国虽是一个农业大国，但随着农业生产的规模化、精确化、某些地域呈现出劳动力不足的现象，在加之苹果、桃子等水果的分类挑选是一项劳动密集型工作，以及水果生产对时令的要求，劳动力问题很难解决。广大果农由于不能及时、准确地对水果进行抓取包装，从而使水果生产受到很大的影响。水果抓取机械手的应用可以提高劳动生产率，解决劳动力不足问题、改善农业的生产环境、防止农药、化肥等化学药品对人体的伤害、提高劳动作业质量等。下面介绍采用先进的可编程控制器PLC作为机械手的控制系统，可以克服以前继电器控制的诸多缺点，利用PLC作为可靠性高、抗干扰能力强、功耗低、环境适应能力强等特点，使机械手执行机构平稳，准时，准确地工作。
课题研究方法：
本设计主要采用PLC、电路、电磁阀、限位开关等工作元件来控制机械手的气缸，从而让机械手产生不同的运动，进行工件的抓取—运送—安放等一系列的工作步骤。
它们的组成元件有: 机械手PLC 电磁阀限位开关电源开关按钮电线
机械手的介绍
1.1 机械手的概述
机械手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。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手主要由手部和运动机构组成。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，是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。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中
它可以用来组装零部件。
(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动/
(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
(5)宇宙及海洋的开发。
(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。
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；按适用范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。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
1.2 机械手的工作过程
机械手电气制系统的设计，除了工艺方面与基本的电动控制和气动控制有着较大的区别外，在控制方面采用了连续控制和手动控制等两种操作方式。这样就能够从操作面板上清析地看出来。
本系统的工作流程如下：左上角一彻为：原点
一、当旋钮打向回原点时，系统自动地回到左上角位置待命。
二、当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。
三、当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。
以下是设计该机械手控制程序的步骤和方法。
1、机械手传送工件系统示意图，如图1所示。
（a ）机械手的动作过程分解
控制面板
图1 机械手的动作过程分解(a)及控制面板图(b)
机械手的动作过程分解图如图1所示。
机械手动作详细运行顺序：
从原点开始按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时按夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限开关，上升电磁阀断电，机械手上升停止；同时接同右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手
起动 夹紧电磁阀
放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过8步动作完成了一个周期。
1.3 机械手的工作方式
手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一中运动单独进行控制，例如，当选择上/下运动时按下起动按钮，机械手上升：按下停止按钮，机械手下降。当选择左/右运动时，按下起动按钮，机械手左移；按下停止按钮，机械手右移。当选择夹紧/放松运动时，按下起动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。
单步操作：每按依次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。
连续操作：机械手从原点开始，按一下起动按钮，机械手的动作将自动地，连续不断地周期性循环。
在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新起动时，须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下起动按钮，机械手又重新开始连续操作。
在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。
1.4 机械手的工作原理
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。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装置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精度达到设定位置.
(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱、机座等部件，有的还增设行走机构。
(二)驱动系统
驱动系统是由液压传动、气压传动、机械传动等几个传动方法所结合起来的一个驱动系统。
(三)控制系统
采用PLC控制系统进行程序的运行控制。
(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精度达到设定位置。
机械手控制系统的工作任务
机械手执行机构的设计要求是能在控制系统的指令下，能将水果迅速，灵活，准确，可靠地抓起并运送到指定位置，因此设计要考虑到运动的速度，加速度等情况。
机械手抓取水果的动作过程为：在原位下降（由立柱的升降气缸控制，下降过程中手指始终张开一定的角度，以保证不会损伤工件）——抓取工件（由手腕旋转气缸和手部夹紧气缸共同完成，通过视觉识别系统来确定工件的分类）——上升并旋转（由立柱升降和旋转由气缸共同完成，将工件送至对应的传送带上方）——下降（由立柱升降气缸实现，将工件送至传送带上）——张开手指并放下工件（该过程由于受部夹紧气缸完成）——上升并旋转（由立柱升降气缸共同完成，机械手臂还原至初始位置）。
机械手的全部动作由气缸马达驱动，而气缸马达又由相应的电磁换向阀控制。例如下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手下降停止，只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移/右移分别由放松电磁阀和夹紧电磁阀控制，上转/下转分别由上转电磁阀和下转电磁阀。
2.1 确定所需要的的用户I/O设备及分配方法
本设计中应包括下降电磁阀，上升电磁阀，夹紧电磁阀，放松电磁阀，左移电磁阀，右移电磁阀。
为了机械手处于原点进行指示，还配置1个原点指示的指示灯。
I/O分配图，如图4所示。由图可见，
图4 PLC I/O 连接图
2.1.1输入设备——用以产生输入控制信号
本设计中应包括：
（1）操作方式转换开关：有手动，单步，单周期，循环等4个位置可供选择。
（2）手动时的运动选择开关：应有上/下，左/右，夹紧/放松，等3个位置可供选择。
运动选择
下限位上限位右限位光电开关 手动单步连续左/夹/上/ 复位操作方式选择
原点指示
（3）起动，停止及复位按钮。
（4）位置检测元件：机械手的动作是按行程原则进行控制的。其上限，下限，左限，右限的位置分别用限位开关来检测。
（5）无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测。开关及按钮在操作屏上的布置如图3,所示.各限位开关几光电开关的配置见图1.
图3操作面板布置图
2.1.2输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件
2.2选择PLC
该机械手的控制为纯开关量控制，且所需的I/O点数不多，因此选择一般的小型的PLC 即可以，所以选择了三菱的FX 2N系列PLC。
2.2.1 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
（5）体积小，重量轻，能耗低
机械手控制系统程序的设计
3.1 总体结构
首先先画出机械手运行的流程图，如图6
图6机械手动作流程图
根据以上流程图，作出相应编程。为了便于编程，先绘制出整个程序的结构框图，如图7所示
图7总程序结构图
在总程序结构图中运用了JMP跳步指令和JME跳步结束指令。这两对指令是成对使用，用于程序的跳转，其功能为当JMP前的逻辑关系为ON时，则JMP和JME之间的程序停止执行，而跳转去执行JME以下的程序。在JMP和JME之间个逻辑行的继电器保持在触点接通以前。当JMP前的逻辑关系为OFF时，则不执行跳转功能，程序仍照样按顺序执行。
3.2 手动操作程序
在手动操作方式下运行设计图如梯形图8。
为了安全，机械手的左/右移动，只有当机械手处于上限位置时才能进行，因此，需在左/右移动的电路中设置上限联锁保护。
另外，由于左/右、上/下运动采用双线圈二位电磁阀控制，两线圈不能同时通电，因此在左/右、上/下的电路中设置了互锁环节。
当运动选择开关置于“左/右“时，如机械手处于上限位置，则按起动按钮机械手右
移；按停止按钮时，机械手左移。
当运动选择开关置于“夹紧/放松“时按起动按钮时机械手执行夹紧动作，按停止按钮时执行放松动作。
当运动开关置于“上/下”位置时，按起动按钮时下降，按停止按钮时上升。
图8 手动操作梯形图
左移
/松
下降
上升
右移
3.3 自动操作程序
根据PLC移位寄存器的功能，便可设计机械手自动操作的梯形图程，因此用步进指令可以较容易地实现。现利用步进指令编程的具体梯形如图9所示。
左移
3.3.1该梯形图的控制原理分析
（1）连续及单周期在连续及单周期操作方式下，单步输入点1008断开，输入继电器1008的常闭触点闭合，将移位寄存器的移位输入直接接入CP端。当机械手处于原点时，压下上限位开关和左限位开光，输入点1002和1004接通，2005接通，原点指示灯亮。按下起动按钮，输入继电器1000接通。其两对常开触点在移位寄存器IN端和CP端同步接通（送入“1”信号），CP端的“1”态移入3000，2000接通，下降电磁阀得电，机械手下降，上限位开关复位，1002断开，IN端置“0“。
下降到底碰到下限位开关后，输入继电器1001接通，2000断开，下降停止，同时产生移位信号，将3000的“1”，移入到3001，IN端的“0“态移到3000。3001的常开触点将2001置“1”并保存，夹紧电磁得电，机械手夹紧工作，同时3001得常开触点接通5000，开始夹紧计时。5000延时3s后，其常开触点闭合，产生移位信号，将3002置“1”，3001置“1，3002的常开触点将2002接通，上升电磁阀得电，机械手上升。此时，下限开关复位，1001断开，机械手上升到顶部碰到上限位开关，1002接通，上升停止。同时产生移位信号将3002的“1”移到3003，IN端置“0“移入3002，同时2003得电，机械手右移，上限位开关复位，1002断开，右移到位时碰到右限位开关，1003接通，右移电磁阀断电，2003短开，右移停止。同时将3003的”1“移到3004，IN端的”0“移到3003，同时检测右工作台无工件1005接通，2000接通，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底部碰到下限位开光时1001接通，同时将3004的”1“移入3005并保持，IN端的”0“移入3004，3005常开触点接通，夹紧电磁阀失电，机械手放松， 5001开始放松计时，5001延时2秒后，其常开触点闭合产生移位信号将3006置“1“，3005置”0“，3006的常开触点将2002接通，上升电磁阀得电，机械手上升。上升到顶部碰到上限位开关，1002接通，上升电磁阀断电，2002断开，上升停止。同时3007置“1”，3006置“0”，3007的常开触点接通2004，机械手开始左移。当机械手的动作完成了最后一步，即左移回到原点时，碰到左限位开关，输入继电器1004接通，2004断开，左移停止，同时产生移位信号。如果是连续操作，则4000接通，3000又置“1“，3007置“0”，又开始第二周期的循环动作。如果是单周期操作方式，则4000断开，IN端置“0”，3000保持“0“态，因此不再循环工作。运行中，如按下停止按钮，则1006接通，移位寄存器复位，机械手停止动作，必须用手动操作将机械手移回原点，然后再重新起动自动操作程序。
（2）单步操作在单步操作方式下，单步输入点1008接通，输入继电器1008的常闭触点断开，将移位寄存器的移位信号经输入寄存器1000的常开触点接入CP端。这样只有按下起动按钮，输入继电器1000接通时，才能将移位信号送入CP端移位寄存器才能移位。每按一次起动按钮，移位寄存器的的状态移一位，机械手的动作完成一步后自动停止。
3.4程序的下载、安装和调试
将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮、按所需控制设备连接，完成硬件的安装。打开机械手移动程序，即可在线调试，也可用编程器进行调试，通过编程器将程序写入RAM后，应进行调试，确认程序无误后，才能正式运行。
调试的步骤如下：
校对程序：用指定方法对程序全部指令自下而上或自上而下地逐条进行校对，若发现某一条指令有错，应重新键入正确指令，若需要校对程序中的某一条指令的内容，显示屏及指示灯即显示指令的内容。
进行输入输出状态的模拟试验：输出端不接负载，输入端接模拟开关，用以模拟信号
进行调试。
联机调试：经过输入输出状态的模拟调试，确认程序无误后，便可将主机与用户输入输出设备相连，进行联机调试。在开机后使主机进入运行状态，此时若ERR灯未亮，RUN灯闪光，表示程序正常运行。如果被控的机械设备工作不正常，则明输入输出设备有故障，应着重检查输入输出设备以及它们和PLC之间的连接情况，或查看程序是否有不妥之处。
上述针对机械手的控制方法充分利用了PLC和其它控制装置的特性，结构紧凑、控制可靠，目前在现场运行良好。作为一个相对独立的PLC控制系统能更好的形成自动化生产的控制。
可编程控制器（Programmable Logic controller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。
PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。
总结
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，市场竞争激烈、人工成本上涨，以往人工操作的搬运和固定式输送带为主的传统物件搬运方式，不但占用空间也不容易更变生产线结构，加上需要人力监督操作，更增加生产成本，原有的生产装料装置远远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生成所必须面临的重大问题。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块，高可靠性、在机械手控制的设计中起到了十分重要的作用，学习PLC的目的，最终要把它应用到实际的控制系统中。
机械手的控制对于很多场合需求很大，不论是机床使用的小型系统还是流水线上的这类设备，其基本动作要求类似，所以控制的实现也可以相互借鉴。
对于控制程序的编写，这里给出的只是一种实现手段，使用可编程控制器还有其他的方法可以实现这样的控制，针对所用的具体系统的情况，设计人员可以选用不同的方法来编写程序。
机械手高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人手不能替代的，机械手的使用也将越来越广泛。
在系统设计过程中，我遇到了很多设计方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我翻阅了大量的书籍和资料，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中的收获是非常丰富的。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不是一蹴而就的，都需要付出很艰辛的努力。