随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。

借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。

同时，借助组态软件的辅助作用，大大提高了系统的工作效率。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，便于有节奏地进行生产。

1.机械手结构示意图

1、手爪张开闭合 2、手腕旋转 3 、水平移动   4、升降 5 、立柱旋转           6、手爪  7 、手腕电动机 8、横轴 9、 竖轴 10、竖轴电动机   11、横轴电动机     12、底盘 13、底盘电动机

2. 机械手工作流程

对于机械手的控制系统可以采用多种方式，如继电器控制、单片机控制、PLC控制等。但由于PLC可编程控制器操作灵活性强和稳定性较好，所以，我们选择PLC控制。

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选；（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

丰富的I/O接口模块PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

安装简单，维修方便  PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，内存容量，指令条数，功能模块等。同时还要考虑其经济实用性以及工作环境对其的影响。

PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。

西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案。

欧姆龙S7-200系列PLC 突出的特点：可靠性高、操作简便；丰富的内置集成功能；强劲通讯能力；丰富的扩展模块；简单、易用的Micro/WIN编程软件。

OMRON的可编程序控制器更加小型化。SYSMAC CPM1A的大小仅相当于一个PC卡(对于10点的机型来说)，从而使安装体积大幅度减小，同时也进一步节省了控制柜的空间。它不仅具备了以往小型PLC所具备的功能，而且还可连接可编程序终端，为生产现场创造了新的环境。编程环境与CQM1及SYSMAC A等机种相同。由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。

三菱FX系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX中，除基本的指令表编程方式外，还可以采用梯形土编程及对应机械动作流程进行顺序设计的SFC顺序功能图编程，而且这些程序可互相转换。在FX系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。其FX2N PLC还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，可获取最高50kHz的高速脉冲。

综上，对于被控对象，采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，力求具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；选用的PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型，一般最好不要选用旧机型（若采用三菱公司的PLC，则选FX系列，不选F1系列）。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。在此，我选用三菱FX1N来做控制核心。FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是近年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。

CPU处理速度达到了0.065us/基本指令。内置了高达64K步的大容量RAM存储器。大幅增加了内部软元件的数量。强化了指令的功能，提供了多达209条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC计算指令，产生随机数指令等等。

晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令：带DOG搜索的原点回归（DSZR），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。内置6点同时100kHz的高速计数功能，双相计数时可以进行4倍频计数。

增强了通信的功能，其内置的编程口可以达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）。新增了高速输入输出适配器，模拟量输入输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便，在FX3U的左侧最多可以连接10台特殊适配器其中通过使用高速输入适配器可以实现最多8路、最高200kHz的高速计数。通过CC-Link网络的扩展可以实现最多达384点（包括远程I/O在内）的控制。可以选装高性能的显示模块（FX3U-7DM）可以显示用户自定义的英文、数字和日文汉字信息，最多能够显示：半角16个字符(全角8个字符)× 4行。在该模块上可以进行软元件的监控、测试，时钟的设定，存储器卡盒与内置RAM间程序的传送、比较等操作。另外，还可以将该显示模块安装在控制柜的面板上。

可编程控制器是一种工业控制微型计算机，它的结构原理与微型计算机相似。硬件构成有微处理器、存储器和各种输入、输出接口。系统程序和接口器件又与微机不同，这使它的操作使用方法、编程语言、工作方式等与微型机有所不同。PLC是用微处理器实现继电器、定时器和计数器以及A/D、D/A模拟转换器件的组合体的功能，采用软件编程进行它们之间的联系。

本设计采用FX系列PLC作为控制核心，所以现在就以它来讲述PLC的应用知识、操作技能。FX系列PLC硬件组成与其它类型PLC基本相同，主体由三部分组成，其PLC的基本结构如图2-1系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。

 

 

 

 

 

 

外部开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信号和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各个部分协调一致地实现对现场设备的控制。

当输出口连接电感类设备时，为了防止电路关断时刻产生高压对输入、输出口造成破坏，应在感性元件两端加保护元件。对于直流电源，应并接续流二极管，对于交流电路应并接阻容电路。阻容电路中电阻可取51～120Ω，电容取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。续流二极管可选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍。图2-2为输入输出口的保护环节示意图。

物体在三维空间内的禁止位置是由三个坐标和围绕三轴旋转的角度来决定的，因此，抓握物体的位置和方向能从理论上求得。根据资料的介绍，如果采用机械手，其机能要接近于人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”来控制。我们不要那么多自由度，因为根据实际情况而言，控制的自由度越多，其各个部分也就越复杂，相应的制造成本也就增加。

机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确可靠的要求。设计制造夹紧机构——机械手，首先要从机械手的坐标形式，运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力来计算。则同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然断电造成被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则结构简单、体积小、重量轻、动作灵活、和工作可靠。

夹紧结构形式多样、有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式夹紧装置。

机械式夹紧是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的开闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位开关完成回转角度的限位，一般可设置在180度。

躯干有底盘和手臂两部分组成。

底盘是支撑机械手的全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转编码盘旋转，机械手每旋转三度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位开关，最大旋转角度可达180度。

手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件使它们运动的机构。本设计手臂由横轴和竖轴组成、可完成伸缩、升降的运动。手臂采用电动机带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出信号控制步进电机运转，同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁、位置精度较高，传动效率较高。

机械手底盘和躯干每旋转3度发出一个脉冲，并把信号送回可编程控制器来得到转过的准确的角度。编码盘的机构如图3-1。

 

 

可以通过改变程序中计数器C0的初值来确定所要转过的角度，这里可以通过用计算机读出指令表，然后修改得到不同的控制角度。

综上所述，根据机械手的各部分要求条件可确定本设计机械手控制系统所选器材列表如表3-1。

 

 

 

 

设计选用FX1N－60MR，其输入继电器（X）36点，输出继电器(Y)24点，辅助继电器(M)384点，状态继电器(S)1000点，定时器(T)256点，计数器(C)，数据寄存器(D)等。

特殊辅助继电器

M8000­——运行监控（PLC运行时自动接通，停止时断开）；

M8002——初始脉冲（仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期）；

M8005——PLC后备锂电池电压过低时接通；

M8011——10ms时钟脉冲；          M8013——100ms时钟脉冲；

M8012——1s时钟脉冲；             M8014——1min时钟脉冲。

根据机械手动作的要求，输入、输出分配如表4-1所示。

输入信号			输出信号
手动	SA	X0	上升/下降步进电机	YA0	Y0
回原位	SA	X1		YA1	Y1
连续	SA	X2		YA2	Y2
回原位	SB1	X3	前进/后退步进电机	YA3	Y3
启动	SB2	X4		YA4	Y4
停止	SB3	X5		YA5	Y5
下降	SB4	X6	夹紧	YA6	Y6
上升	SB5	X7	手顺转	YA 7	Y7
夹紧	SB6	X10	手逆转	YA 8	Y10
松开	SB7	X11	底盘顺转	YA 9	Y11
手顺转	SB8	X12	底盘逆转	YA10	Y12
手逆转	SB9	X13
底盘顺转	SB10	X14
底盘逆转	SB11	X15
下限位	SQ1	X16
上限位	SQ2	X17
前限位	SQ3	X20
后限位	SQ4	X21
底盘顺限位	SQ5	X22
底盘逆限位	SQ6	X23
手顺限位	SQ7	X24
手逆限位	SQ8	X25
底旋转脉冲		X26
前行	SB12	X30
后退	SB13	X31

PLC外部电气接线图如下图4-2

  

机械手控制系统软件设计的程序总体结构如图4-3，分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序等四部分。其中自动程序包括单步、连续运动程序，因它们的工作顺序相同所以可将它们和编在一起。CJ（FNC00）是条件跳转应用指令，指针标号PX是其操作数。该指令由于某种条件下跳过CJ指令和指针标号之间的程序，从指针标号处继续执行，以减少程序执行时间。如果选择“手动”工作方式，即X0为ON，X1为OFF则PLC执行完公用程序后将跳过自动程序到P0处，由于X0动断触点断开所以直接执行“手动程序”。由于P1处的X1的动断触点闭合，所以又跳过回原位程序到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序，如果选择“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。

公用程序如图4-4，简要说明如下：当Y6复位（电磁阀松开）、后限位X21和上限位X17接通时，辅助继电器M0变为ON，表示机械手在原位。如果开始执行用户程序（M8002为ON）、系统处于手动或回原位状态（X0或X1为ON），那么初始步对应的M10被置位，连续工作方式做好准备。如果M0为OFF，M10被复位，系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令，以防止系统从自动方式转换手动方式，再返回自动方式时出现两种不同的活动步。

 

 

 自动操作顺序功能流程图见图4-5所示。当机械手处于原位时，按启动X4接通，状态转移到S1，驱动前伸Y3，当到达前限位使行程开关X20接通，状态转移到S2，而S1自动复位。驱动手顺转Y7，X24接通，状态转移到S3，驱动下降Y2，X16接通，状态转移到S4，S4驱动Y6置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S5，驱动Y0上升，当上升到达最高位，X17接通，状态转移到S6。S6驱动Y4后退。

移到后限位，状态转移到S7底逆转Y12，状态到S8，X20接通，状态转移到S9下降。下降到最低位，X16接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S11上升。上升到最高位，X25接通，状态转移到S13后退。后退到后限位，使X21接通，状态转移到S14，底盘顺转是X21接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

自动连续程序说明：当系统处于自动连续方式时，X2为ON，它的动合触点闭合，在初始步时按下启动按钮X4，M1得电并保持，就按照图4-5自动功能图进行工作。按下停止按钮X7后，M1变为OFF，系统不会立即停止，而是完成当前的工作周期后，机械手最终停止在原位。

根据自动功能流程图的顺序编写的自动程序梯形图为图4-6。

 

 

 

如下图所示。图中上升/下降，左移/右移都有连锁和限位保护。

手动程序说明：用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮，机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行，程序之间还进行必要的连锁。

 

 

 

回原位程序；在系统处于回原位工作状态时，按下回原位按钮（X3），M3变为ON，机械手松开和上升，当升到上限位（X17变为ON），机械手后退，直到后限位（X21为ON）才停止，并且M3复位。

 

 

梯形图程序经过检验语法错误以及逻辑上的可靠性后,编译成指令表，以便后传入PLC中。并可以运用软件在线监测PLC的运行情况，同时可以用手持编程器根据现场要求修改程序中的各参数，达到任意位置停止的目的。

所谓PLC程序的上载,就是把PLC中的程序读入到计算机中,其操作步骤如下：

1、通信电缆的连接。应使用编程转换接口电缆SC－09连接好计算机的RS－232C接口和PLC的RS－422编程器接口。

3、程序上载。选择“PLC”菜单下的“传送”子菜单中的“读入”，就会弹出如图4-10所示的“PLC类型选择对话框”，选择实际型号的PLC类型后，点“确定”按钮后，将PLC中的程序读入到计算机中。

所谓PLC程序的下载，就是把计算机中的程序写入到PLC中，其操作步骤是“通信电缆的连接”和“端口设置”，同“PLC的程序的上载”中的步骤1和2。而PLC程序的下载的操作步骤是：

在执行下载功能时，首先应将PLC上的主机开关拨在“STOP”位置，如果使用了RAM或EEPROM存储器卡，其写保护在处于关断状态。选择“PLC”菜单下“传送”子菜单中“写出”，将计算机中的程序发送到PLC中，在弹出的窗口中选择“范围设置”，如图4-11所示，可减少写入所需的时间。

另外，执行菜单命令“PLC——传送——校验”是用来比较计算机和PLC中的顺序程序是否相同。如果二者不符合，将显示与PLC不相符的指令的步序号。选中某一步序号，可显示计算机和PLC中该步的序号指令。

通过本设计可以让大家清楚的了解三菱公司FX系列PLC的特点,机械手模型控制系统利用了三菱FX系列PLC的特点，对按钮、电磁阀、编码盘以及其他一些输入/输出点进行控制，实现了工业机械手模型的手动和自动控制。

采用PLC进行工业机械手模型运行控制，控制系统的硬件结构大为简化，同时由于采用的是“软接线”方法的程序控制，系统的可靠性和灵活性都大大提高。当然，机械手模型系统的信号输入点数较多，工作方式多样，所以程序较复杂。

通过本次设计对所涉及的知识有了更透彻的掌握，对实用化的技术理论有了更清晰了解。知道设计的方法，如何去查阅资料，怎样去解决问题，为以后做设计铺平道路。