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基于 PLC 控制的机械手设计

摘要 1

引言 1

1.机械手总体方案设计 2

1.1 设计要求 2

1.2 运动形式的选择 2

1.3 驱动方式的选择 4

1.4 总体结构设计 5

2.机械手手部设计 6

2.1 结构分析 6

2.2 计算分析 6

3.PLC 控制系统设计 11

3.1 机械手移动工件控制系统的控制要求 11

3.2 机械手移动工件控制系统的 PLC 选型和资源配置 13

3.3 机械手移动工件控制系统的 PLC 程序 14

4.动画制作 18

4.1 建立机械手模型 18

4.2 制作机械手的动画 18

结束语 26

致谢 26

参考文献 26

附录 27

摘要

机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是

机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的

分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬

软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，

达到了预期要求，具有一定的应用前景。

关键词：机械手 PLC 动画

引言

随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向

社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的

机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、

服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大

量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完

成。

工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由

度的、多用途的操作机,广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，

而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约

原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一

样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工

具，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，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自

动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，

主要完成移动、转动、抓取等动作。

控制系统是机械手的指挥系统，它通过控制驱动系统，让执行器按照规定

的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算

操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程

序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制

各种机械或生产过程。与继电器控制线路相比，PLC 具有可靠性高、抗干扰能

力强；编程简单、使用方便；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通

用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程

控制器来实现。

1.机械手总体方案设计

1.1 设计要求：

1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上。

2.要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。初值给定如下：

工件质量 m=0.1kg

摩擦系数 μ=0.15

重力加速度 g=9.8m/s

垂直加速度 a=0.3g=2.94m/s

水平加速度 a=0.3g=2.94m/s

回转半径 r=0.5m

角速度 ω＝3.5rad/s

角加速度 β＝2.1rad/s

安全系数 S=1.45

夹角 φ＝45°

3.要求选用 PLC 作为控制系统。

1.2 运动形式的选择：

根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动

形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。

1.直角坐标型机器人

直角坐标型机器人的结构简图如图 1-1 所示，它在 x,y,z 轴上的运动是独立

的，3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下

料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是：

(1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。

(2)计算比较方便。

(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。

(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。

(5)要求有较大的平面安装区域。

(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。

2.圆柱坐标型机器人

圆柱坐标型机器人的结构简图如图 1-2 所示，R、θ 和 x 为坐标系的三个坐

标，其中 R 是手臂的径向长度，θ 是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位

置。这种形式的主要特点是：

(1)容易想象和计算。

(2)能够伸入形腔式机器内部。

(3)空间定位比较直观。

(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。

(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。

3.极坐标型机器人

极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图 1-3 所示，R，θ 和 β

为坐标系的坐标。其中 θ 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β 是手臂在铅垂

面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：

(1)在中心支架附近的工作范围较大。

(2)两个转动驱动装置容易密封。

(3)覆盖工作空间较大。

(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。

(5)直线驱动装置仍存在密封问题。

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