工业搬运机械手的控制设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计

1 前言
1.1 工业机械手现状
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化设备，发展速度非常快，尤其是机器人技术的发展，极大地推动了机械手的发展。它可抓取和移动工件，将工件从一个位置移动到指定的位置，并且已实现自动化。它的特点是可以通过预先编制好的程序来完成机械手所要完成的各种动作。机械手容易与液压传动、气压传动和可编程控制器结合起来，实现自动化控制，在结构和性能上兼有人和机器各自的优点[2]。
目前，国内的工业机械手发展速度很快，主要用于机床加工、锻造和热处理等方面，但由于技术方面还比较欠缺，机械手的性能、品种等方面还不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内发展方向主要是逐步扩大机械手的应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，提高生产效率。目前，国内大力发展了了专用机械手，专用机械手的技术已经比较成熟。与此同时，通用机械手也有了很大的发展。但是，目前国内缺乏生产机械手的高端技术，高端技术还不成熟，很多产品的关键技术还主要依赖进口，且国内机械手主要还受到控制系统的困扰，没有比较成熟稳定的伺服系统，所以不能生产出高端的机械手。我国一直很重视机械手的发展，大力推广机械手在工业中的应用，以提升科技水平,加快我国的机械化和自动化的发展速度。
国外方面，机械手在机械制造行业中应用比较多，发展很快，技术也很成熟。目前主要用于机床的上下料、点焊等任务，这些机械手可以按照预先设计好的程序规定的动作来完成动作，以实现了自动化，且定位精度高，工作人员可远离比较危险地工作环境。国外机械手的发展趋势是研究具有某种智能的机械手，例如视觉和触觉功能，使它具有一定的感知环境变化的能力，能感知外界条件的变化并反馈这些变化，通过控制系统的分析和处理对机械手进行位置调整，使其仍能正确的抓取工件，例如工件位置与其规定的位置发生稍微变化时，安放在机械手上的位置传感器能迅速检测到工件位置的变化经分析处理后做相应的调整。这种机械手重点是研究视觉功能和触觉功能，经过这几年的努力，在视觉和触觉功能方面取得了一定的成果。目前世界工业机械手均有精度高，速度快的特点。同时随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械加工领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
1.2 工业机械手的分类
按规格（所搬运工件的重量）分为微型机械手（搬运重量在1千克以下）、小型机械手（搬运重量在10千克以下）、中型机械手（搬运重量在50千克以下）、大型机械手（搬运重量在50千克以上)。
按功能分为简易型工业机械手、记忆再现型工业机械手、计算机数字控制的工业机械手、智能工业机械手。
按用途分为专用机械手和通用机械手。
按驱动方式可分为液压式机械手、气动式机械手、电动式机械手、机械式机械手。
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续控制机械手。
1.3 工业搬运机械手控制设计的目的与预期结果
意义 机械手是近几年来发展起来的一种自动化装置，它可抓取和移动工件，将工件从一个位置移动到指定的位置，并且已实现自动化。随着技术的发展，机械手的功能在逐渐完善，性能也在得到改善，机械手以实现了与机械化和自动化相结合。机械手能完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高生产效率。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍[3]。
机械手与机器人有密切的联系。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，具有人和机器两者都有的优点，在很大程度上体现了人的智能型。机械手作业的准确性和适应各种环境的能力，在国民经济中的作用是不可替代的。
目前，我国机械手的发展与世界发达国家还有很大的差距。机械手的发展可推动我国工业机械化和自动化的发展。因此，工业机械手的研究设计是非常有意义的。
预期结果 通过本次毕业设计，要完成一个完整的工业搬运机械手及其控制系统的设计，包括机械部分、驱动系统和控制系统。设计完成的机械手应具有相应的功能，可将在工作台上已完成加工的工件搬运到指定的地点。
机械手的控制采用PLC控制，通过编写合理的PLC程序控制机械手的动作，在动作过程中保证机械手动作的精度，使机械手准确的抓取工件和放置工件。
机械手的动作方式有手动、单周期和周期操作。
1.4 工业搬运机械手设计的内容
本课程设计要求设计一个工业机械手控制系统，是一个简单的搬运机械手，可将一个已加工完毕的工件从工作台搬运到指定的地点，或者将一个待加工的工件搬运到工作台上。机械手的控制主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。设计的内容有机械部分的设计和控制系统的设计。机械手的动作由控制系统按照预先设定好的程序来控制，通过编写不同的程序完成不同的动作。控制系统采用PLC控制，驱动系统采用液压驱动及步进电动机驱动。
通过查阅相关资料，掌握工业机械手执行部分、驱动系统和控制系统的设计方法和思路，设计出一个合理的完整的工业搬运机械手。在预定控制要求下，完成机械部分的设计、驱动系统各元器件的选择安装和PLC硬件系统的选择和安装连接，并编写出完整可行的PLC程序，最后检验自己所涉及的工业机械手是否能完成预定的动作，并对其加以修正。本课题要完成一下任务：
(1)完成机械部分总装图及配套零部件图的绘制，其中包括计算机绘制和手工绘制。
(2)编写一套PLC的应用程序其功能是实现对机械手的循环控制，使机械手按照预先设想的轨迹运行并实现物料搬运的功能。
(3) 正确设计PLC与机械手的接线方式并进行控制信号线的连接。
(4)运行程序使机械手按照预订的动作运动。

2 机械手机械部分的计算与分析
2.1 手部的计算与分析
机械手的手部按工作原理的不同可分为夹钳式和吸附式。由于本次设计的机械手所要搬运的工件为圆柱棒料，所以选用夹钳式手部。
夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，适用于抓取各种形状的工件。
综合各种因素的考虑，选用滑槽杠杆式手部。
2.1.1 滑槽杠杆式手部设计的要求
（1） 手部在夹取工件时，由于工件重量和摩擦系数的不同，所需要的夹紧力和驱动力不同。手部应具有适当的夹紧力和驱动力。
（2） 根据所抓取工件的最大直径与最小直径确定手指合理的开闭范围。
（3） 应保证工件在手指内的夹持精度。
（4） 要求设计结构合理，重量轻，体积小，材料合理。
2.1.2 滑槽杠杆式手部的计算与分析
（1）本课题选用的是回转型滑槽杠杆式手部，其结构如图2.1

图2.1 滑槽拉杆式手部结构
1-手指 2-销轴 3-指座 4-拉杆
其受力分析图如图2.2所示

图2.2 滑槽拉杆式手部受力分析
在拉杆4的作用下，销轴2向左的拉力为，通过销轴2的中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为、，其力的方向垂直于花草的中心线、，和的延长线交于A、B点。
由 得
由 得

由 得
因为

所以
式中 —手指的回转支点到对称中心线的距离（）。
α—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力一定时，角增大则也随之增加，但α角过大会导致杠杆的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角。
手指夹紧圆棒料时，手指对工件夹紧力大小可按下式计算：

式中 —安全系数，一般取1.2~2.0。本设计取为1.6。
—工作情况系数，主要影响因素是惯性力，可近似按下式计算

式中 —运载工件时重力方向上的最大上升加速度。
g—重力加速度，。

式中 —运载工件时重力方向上升的最大速度。
—速度达到最大时的响应时间。根据设计参数选取，一般取为0.03~0.5s。
—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置同选取，本设计取为1.03。
在本课题设计中，搬运工件的重量不超过20kg，选取最大情况，，手爪夹持范围30～70mm，上升最大速度80mm/s，响应时间取为0.3s。经设计计算，取50mm，取100mm。

所以
取

（2）液压缸直径的计算
液压缸所受的力为

图2.3 液压缸结构简图
当油进入有杆腔时
当油进入有杆腔时
式中 —活塞直径（）；
—活塞杆直径（）；
—驱动压力（）。
计算液压缸的直径 取，压力油工作压力。

由国标GB/T 2348-1993，选取液压缸活塞直径，。
2.2 手臂的计算与分析
手臂是工业机械手的主要执行部件，主要完成水平方向的伸缩运动。主要作用是支撑手部和工件的重量，并将工件传送到指定位置。手臂的结构、工作范围和移动精度直接影响机械手的性能。所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。
2.2.1 手臂的设计要求
（1）要有足够大的刚度 手臂在伸缩运动过程中不仅承受了自身的重量，而且承受了手部和工件的重量，在此过程中承受了一定的弯矩的作用。为了防止臂部在运动过程中发生弯曲现象，设计臂部时一定要注意臂部的结构，保证手臂具有足够的刚度。
（2）导向性要好 手臂在伸缩运过程中为沿轴线方向的直线运动，不能发生沿轴线转动的现象，因此，在设计手臂是一定要安装导向装置，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用。
（3）偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指手臂的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。设计过程中要尽量减少手臂和手部的重量，在保证手臂刚度的要求下选择合理的材料和减小尺寸，以减小立柱的工作负担。
（4）保证手臂运动要平稳、定位精度高 机械手采用的是液压驱动方式，手臂内安装的是液压缸和活塞杆及其他组成部件。手臂的重量和运动速度直接影响着定位精度，手臂运动速度越高，重量越大，手臂的惯性就越大，其引起的冲击就越大，影响了定位精度。因此要合理设计手部，尽量减小手臂重量，结构要紧凑，同时采取一定的缓冲措施。
2.2.2 手臂结构设计
手臂伸缩运动结构如图2.4所示

图2.4 手臂伸缩运动结构图
1-油口 2-活塞 3-缸筒 4-活塞杆 5-油口 6-端盖 7-紧固螺钉 8-导向套
当液压油从油口1流入，从油口5流出时，压力油推动活塞杆向右移动，手臂伸长；当液压油从油口5流入，从油口1流出时，压力油推动活塞杆向左移动，手臂缩回。
2.2.3 手臂的设计与计算
（1）手臂水平伸缩运动驱动力的计算
手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及活塞杆与导向套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力可按下式计算：

式中 —各支承处的摩擦阻力；
—启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：

式中 —手臂伸缩部件的总重量 （N）；

— 重力加速度（）;
— 启动过程中的平均加速度（），

式中 — 速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度；
— 启动过程中所用的时间，一般为0.01～0.5s，此处取为0.05s。
代入数据，得

，估算，

所以

（2）确定液压缸直径

由国标GB/T 2348-1993，选取液压缸直径。

由国标GB/T 2348-1993，选取活塞杆直径。
2.3 立柱的结构与设计
立柱是机械手的主要支撑部件，也是由液压缸结构组成，其结构与手臂伸缩液压缸的结构基本相同。立柱主要完成机械手的升降运动，
2.3.1 立柱的设计要求
（1）立柱在工作时不仅承受了工件、手部和手臂的全部重量，而且承受了手臂等部件产生的弯矩作用，在机械手做回转运动时还要承受一定的扭矩作用。因此在设计立柱是要保证立柱足够的刚度，使其不会发生弯曲和扭曲现象。
（2）立柱在升降运过程中为沿轴线方向的直线运动，不能发生沿轴线弯曲和倾斜的现象，因此，在设计手臂是一定要安装导向装置，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，且导向装置不易过短。
（3）设计过程中要尽量减少立柱及其他部件的重量，因为机座里面的圆锥滚子轴承基本承受了立柱、手部、手臂及工件的全部重量。在保证手臂刚度的要求下选择合理的材料和减小尺寸，以减小机座的工作负担。
（4）机械手采用的是液压驱动方式，立柱内安装的是液压缸和活塞杆及其他组成部件。立柱的重量和运动速度直接影响着定位精度，因此要合理设计立柱，尽量减小立柱重量，结构要紧凑，同时采取一定的缓冲措施。
2.3.2 立柱的结构设计
立柱的结构如图2.5所示

图2.5 立柱升降结构图
1-油口 2-活塞 3-缸筒 4-活塞杆 5-导向套 6-油口 7-端盖 8-紧固螺钉
当液压油从油口1流入，从油口6流出时，压力油推动活塞杆向上移动，立柱上升；当液压油从油口6流入，从油口1流出时，压力油推动活塞杆向下移动，立柱下降。
2.3.3立柱垂直升降运动驱动力的计算
立柱作垂直运动时，除克服摩擦阻力Fm和惯性力之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力可按下式计算：

式中 — 各支承处的摩擦力（）；
— 启动时惯性力（）可按手臂伸缩运动时的情况计算；
— 臂部运动部件的总重量（N）；
— 上升时为正，下降时为负。

所以

确定液压缸直径

由国标GB/T 2348-1993，选取液压缸内径。

由国标GB/T 2348-1993，选取活塞杆直径。
2.4 机座的结构与设计
机座是工业搬运机械手的支撑部件，承受了机械手的全部重量。机座承受的力很大，在设计时注意要保证几座的刚度。机座内部装有圆锥齿轮减速器，主要完成回转运动，对机械手运动的精度影响很大。
2.4.1 机座的设计要求
（1）机座承受了机械手的全部重量，且承受着很大的弯矩和扭矩作用。位了保证机械手的运动精度，选取合理的材料和加工工艺，提高几座的刚度。
（2）机座上部安装的是立柱，右侧安装的是电动机，里面安装的是圆锥齿轮减速器，连接部位很多，且承受较大的接触应力，尤其是上部连接立柱处。因此要提高机座连接处的接触刚度。
（3）采用合理的结构。在保证刚度的条件下，应力求铸件形状简单，便于支撑和制造。
（4）选择合理的机座材料。用铸铁作为机座的材料，其工艺性能好，容易获得
结构复杂的零件。
2.4.2 电动机的选取
一般的三相异步电动机的转速在2900r/min和720r/min之间，转速较高。电动机转速越低，电动机尺寸、质量和成本越高，效率也越低。若选取三项异步电动机，则需要安装较大传动比的减速器或者多级减速器，多级减速器会影响机械手的回转精度，一级减速器结构尺寸较大，且两齿轮尺寸相差很大[4]。
步进电机是一种离散运动装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分的广泛。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角，简称为步距。步进电机的位移量与输入脉冲数严格成比例，这就不会引起误差的积累。其转速与脉冲频率和步距角有关，控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通顺序，可以得到各种需要的运行特性[8]。
转动惯量的计算

从动轴上的转动惯量

总转动惯量

初步选择步进电机90BF002，其转子转动惯量。
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。

符合惯量匹配的要求。
因此选择步进电机90BF002。
3 驱动系统的设计
3.1工业搬运机械手液压系统原理

图3.1 工业搬运机械手液压原理图
本机械手的液压工作原理如图3.1所示。
机械手的动作过程为：当按下启动按钮后，电磁继电器1YA通电，电磁换向阀6的左侧油路接通，油从手臂伸缩液压缸的无杆腔流入，由有杆腔流出，活塞杆向右移动，当碰到伸长限位开关后停止移动。当检测到手爪到位后，电磁继电器6YA通电，电磁换向阀右侧油路接通，油从手爪松合液压缸的有杆腔流入，从无杆腔流出，活塞杆向左移动，手爪抓紧；电磁继电器4YA通电，电磁换向阀13右侧油路接通，油从升降液压缸的无杆腔流入，由有杆腔流出，活塞杆向上移动，工件随机械手向上移动，当碰到上升限位开关后停止移动；电动机正转（顺时针），当碰到正转限位开关后停止转动；电磁继电器3YA通电，换向阀12的左侧油路接通，油从升降液压缸的有杆腔流入，从无杆腔流出，活塞杆向下移动，碰到下降限位开关后停止下降；电磁继电器5YA通电，电磁换向阀的左侧油路接通，油从手爪液压缸的无杆腔流入，从有杆腔流出，活塞杆向右移动，手爪松开，放下工件；电磁继电器2YA通电，电磁换向阀的右侧油路接通，油从手臂伸缩液压缸的有杆腔流入，从无杆腔流出，活塞杆缩回，碰到收缩限位开关后停止移动；电动机反转，碰到限位开关后停止转动，机械手停在原位上，机械手的整个动作过程结束。
3.2 液压元件的选择
3.2.1 液压泵的选择
工业搬运机械手的液压系统，大多采用定量液压泵，液压泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力和最大流量来确定。
（1）计算液压泵的工作压力

式中 —液压缸的最大工作油压；
— 进油路各部分压力损失之和。
一般的液压系统，换向阀损失为~，节流阀损失为，单向阀损失为，背压阀损失为。
由此取
因
所以
1) 计算最大流量
采用差动液压缸是

式中 —系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值
手臂伸缩液压缸

立柱升降液压缸

根据，，选取内啮合齿轮泵[9]BB-B，其额定压力,额定排量容积效率。
3.2.2 液压泵电动机的选择
电动机功率

式中 —油泵的最大工作压力
—所选油泵的额定流量
—油泵总效率
电动机转速选择为

电动机所需功率

由此选择电动机[10]：三相异步电动机Y100L1-4。其额定功率，转速 。

4 控制系统的设计
4.1 电气控制设计
4.1.1 机械手电气设计的要求
电气控制线路的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的，是传动形式与控制方案的具体化。设计时所要遵循的一般要求是[4]：
（1）要满足机电设备对电器控制线路的要求，能够可靠、精确地工作。
（2）在满足要求的情况下，要使控制电路经济、简单、可靠。
（3）要有保护装置和自锁装置，保证操作安全。
（4）设计的电路线路要合理，便于操作和维修。
设计中要注意以下几个问题[4]：
（1）尽量选用常用的、标准的、经济的电气元件。
（2）正确连接继电器、接触器等元件，要注意线圈的位置。
（3）减少触点，提高可靠性；缩短连接导线的长度和数量。
（4）注意电路中设计合理的保护环节，避免误操作造成的危害。
4.1.2 机械手的动作过程分析
机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步操作、单周期操作、循环操作。
（1）手动操作 在手动状态下，通过操作面板上的六个按钮分别控制机械手的六个动作。在机械手工作发生故障时可通过手动操作将机械手一开。
（2）单周期操作 在单周期操作状态下，机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后自动停止在原点位置。若在执行过程中按一下停止按钮，则机械手停留在该动作上，按下启动按钮，则机械手继续完成剩下的动作，最终返回原点位置。
（3）循环操作 在循环操作状态下，当按下启动按钮后，机械手降循环不断地完成每个动作，直到按下停止按钮，机械手将完成最后一步动作后停在原位上。
动作过程为：
在自动状态下，机械手处于原位，此时，左转限位开关SQ2是闭合的。当按下启动按钮后，由于SQ2是闭合的，因此中间继电器KA1、延时继电器KT0得电，使KA1常开触点闭合，电磁继电器1YA得电，电磁换向阀6的左侧接通，活塞杆向右移动，机械手伸出，KT0延时4s后触点闭合，使电磁阀7YA得电，机械手开始缓冲，当碰到限位开关SQ1后中间继电器KA2、延时继电器KT1得电，使得KA2的常闭触点断开，使得KA1断电，1YA断电，机械手停止伸出，同时，KA2常开触点闭合，使得电磁继电器2YA得电，换向阀6的右侧接通，活塞杆向左移动，机械手抓紧，继电器KT1延时2s后闭合，中间继电器KA3得电，常闭触点断开，使得KA2断电，机械手停止抓紧；同时常开触点闭合，电磁继电器3YA、延时继电器KT2得电，机械手开始上升，KT2延时3s后电磁继电器8YA得电，开始缓冲。碰到限位开关SQ3后，中间继电器KA4得电，长闭触点断开，使KA3断电，机械手停止上升；同时，常开触点闭合，使继电器KM1得电，电动机正转，机械手右转，当碰到限位开关SQ4，使中间继电器KA5得电，常闭触点断开，使得KA4失电，机械手停止转动，同时KA5常开触点闭合，使得电磁继电器5YA、延时继电器KT3得电，机械手开始下降；KT3延时3s后闭合，使电磁继电器8YA得电，开始缓冲；当碰到限位开关SQ5后，中间继电器KA6得电，常闭触点断开，是KA5断电，机械手停止下降；同时，KA6常开触点闭合，使得电磁继电器6YA、延时继电器KT4得电，机械手手抓松开，KT4延时2s后闭合，中间继电器KA7得电，其常闭触点断开，使得KA6失电，手抓停止松开，同时KA7常开触点闭合，使得电磁继电器4YA、延时继电器KT5得电，机械手开始收回，KT5延时4s后闭合，使得电磁继电器7YA得电，机械手收回缓冲；当碰到限位开关SQ6后，中间继电器KA8得电，其常闭触点断开，使KA7失电，机械手停止缩回，同时，KA8常开触点闭合，使得继电器KM2、延时继电器KT7得电，电动机反转，机械手左转；当碰到限位开关后KA1得电，其常闭触点断开，使KM2失电，电动机停止转动，机械手将继续循环下一个周期动作，直到按下停止按钮，机械手最终停在原位上。
手动操作方式主要用于当机械手动作时出现故障或者机械手动作没有到位的情况下，将机械手移动到位。当按下某个动作按钮后，其动作过程与自动动作过程基本相同，不同之处在于当碰到限位开关后下一个动作的中间继电器线圈不会得电，机械手机会停止动作。
工业搬运机械手的电气控制电路图见附录图1。其动作流程图如图4.1所示。
4.1.3 电气元器件的选择
设计中用到的元器件主要有中间继电器、延时继电器、限位开关、开关、按钮等。按照电气控制电路图中用到的元器件选择合理的型号，选用的原则是耐用、经济、不浪费，易于更换和维修。
4.2 PLC控制设计
4.2.1 PLC的选型
台达PLC运行速度高，稳定性好，可靠度高，广泛应用于工业自动化设备。他的特色是快速执行程序运算、丰富指令集、多元扩展功能卡和高性价比，而且支持多种通信协议。
台达PLC的优点：
1) 可靠性高，抗干扰能力强；
2) 通用性强，控制程序可变，使用方便，编程简单，容易掌握；
3) 功能强，适应面广 ；
4) 减少了控制系统的设计及施工的工作量；
5) 体积小、重量轻、功耗低、维护方便。
由于台达PLC具有以上优点，因此本课题的设计采用台达PLC。

图4.1动作流程图
4.2.2 I/O分配表
（1）所需的I/O点个数
输入信号：共有21个输入信号，且均为开关量。分别为：伸臂限位开关、缩臂限位开关、上升限位开关、下降限位开关、正转限位开关、反转限位开关、物体检测、伸臂、缩臂、上升、下降、正转、反转、夹紧、松开、启动、停止、手动操作、连续操作。
输出信号：共有11个输出信号，分别为：伸臂、缩臂、上升、下降、正转、反转、夹紧、松开、原位指示灯、上升与下降缓冲、伸出与缩回缓冲。
（2）程序存储器容量的估算
用户存储器是由系统数据区和用户程序区组成。由于本系统没有模拟量变换及存储，只有21个开关量输入，11个开关量输出，因此可按以下公式估算:输入点数×10+输出点数×8=21×10+11×8=298字节。根据总字数再加上一定的备用量。
表4.1 I/O分配表
输入端口
输入

输入

启动按钮SB0
X0
右转SB4
X13
伸出限位开关SQ1
X1
下降SB5
X14
上升限位开关SQ3
X2
放松SB6
X15
右转限位开关SQ4
X3
缩回SB7
X16
下降限位开关SQ5
X4
左转SB8
X17
缩回限位开关SQ6
X5
手动SB9
X20
左转限位开关SQ2
X6
单周SB10
X21
工件检测
X7
连续SB11
X22
伸出SB1
X10
复位SB12
X23
抓紧SB2
X11
停止 SB13
X24
上升SB3
X12

输出端口
输出

输出

伸出
Y0
缩回
Y6
夹紧
Y1
左转
Y7
上升
Y2
伸缩缓冲
Y10
右转
Y3
升降缓冲
Y11
下降
Y4
原位指示
Y12
放开
Y5

4.2.3 PLC梯形图和程序设计
(1)画梯形图 应用梯形图的经验设计方法或顺序控制设计方法画出控制系统的梯形图。
(2) 编制程序 根据工业机械手的动作及动作顺序和控制系统的要求，编写合理的PLC程序，使机械手能够按正确的顺序动作。
(3) 调试程序 检查程序中的错误并修改，检查程序是否能正确完成机械手的动作顺序及定位要求，不合要求，则修改程序修改，直到符合要求为止。
梯形图和程序详见附录。
5 结 论
通过这几个月的艰辛努力，我终于顺利完成了工业搬运机械手的控制设计。这个搬运机械手可在规定的动作要求下将一个已经加工完的工件搬运到指定的地点，或者将一个工件从一个地点搬运到另一个地点。我设计的这个机械手能完成危险、重复枯燥的工作，减轻工人的劳动强度，提高生产效率。
如果设计的机械手能够成功的话，机械手可完成以下功能：
机械手所能抓取工件的最大质量为20Kg，所能抓取工件尺寸为30~70mm。
机械手总共有四个自由度，分别为手臂的伸缩、立柱的升降、机座的旋转和手爪的松合。
编写合理的PLC程序，机械手可完成不同的动作，且机械手可按照不同的工作环境制定合理的动作，以免造成碰撞。
机械手的操作方式有手动操作、单周期操作、连续操作和回原点操作。
（1）手动操作 按下相应的按钮可完成相应的动作，主要用于出现故障或机械手动作未到位的情况下，可将机械手复位。
（2）单周期操作 按下单周期按钮机械手完成一个完整的周期动作后自动停止。
（3）连续操作 在连续操作状态下机械手将循环不断地完成各个动作，直到按下停止按钮，机械手完成最后一个动作后停止的停止。
（4）回原点操作 按下此按钮机械手可回到原点位置。
这次机械手的设计中也有很多不足之处，比如有些地方结构设计的不合理，某些标准件及材料的选取不合理。这些都是由于我们自身知识不足引起的，这就需要我们大量的搜集阅读这方面有关的书籍。
总之，这次毕业设计我学到了很多有用的知识，为我即将工作的岗位打下了基础。通过这次毕业设计我认识到了我自身不少的缺点，在以后的生活中我会不断地学习，丰富自己的知识。

参 考 文 献
[1] 罗庚合, 蔡霞. 搬运机械手的PLC 控制[J]. 西安航空技术高等专科学校学报,2002,20(1):7-9
[2] 曾繁玲. 一种PLC控制的工业机械手[J]. 常熟理工学院学报(自然科学),2008,22(4):102-108
[3] 周剑良. PLC控制机械手的设计与实现[J]. 装备技术制造,2010,6:95-97
[4] 周军,海心. 电气控制及PLC[M],第2版. 北京: 机械工业出版社,2007
[5] 孙恒. 机械原理[M],第7版. 北京: 高等教育出版社,2000:463～482
[6] 濮良贵,纪明刚. 机械设计[M],第7版. 北京: 高等教育出版社,2004:403～406
[7] 赵松年. 机电一体化技术基础及应用[M]. 北京: 机械工业出版社，2001
[8] 邓星钟. 机电传动控制[M]. 武汉: 华中科技大学出版社,2005
[9] 成大先. 机械设计手册[M],第五版. 北京:化学工业出版社,2008
[10] 吴宗泽, 罗圣国. 机械设计课程设计手册[M],第3版. 北京: 高等教育出版社,2006
[11] 张建钢. 数控技术[M]. 武汉: 华中科技大学出版社,2000
[12] 罗良武,王嫦娟. 工程图学及计算机绘图[M]. 北京: 机械工业出版社,2003
[13] 谢铁邦,李柱,席宏章. 互换性与技术测量[M]. 北京: 机械工业出版社,2004
[14] 刘延俊,王守城,杨前明,苏航. 液压与气压传动[M],第2版. 北京: 机械工业出版社,2006
[15] 徐世许. 可编程控制器[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社,2001
[16 M. Ceccarelli, G. Carbone, E. Ottaviano Multi criteria optimum design of manipulators[J]. BULLTIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES TECHNICAL SCIENCES Vol.153,No.1,2005:9-18
[17] N.Garcia,G.Mamani,O.Reinoso,O.Nasisi,R.Aracil,R.Carelli VISUAL SERVO CONTROL OF INDUSTRIAL ROBOT MANIPULATOR[R]. 15th Triennial World Congress, Barcelona, Spain,2002

- 22 -