圖2—1機械手的動作周期2.2機械手的控制過程如圖3—2所示由A、B兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作，A缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松，B缸通過一雙電兩位四通電磁閥控制機械手的升降；由小車實現機械手的移動。該小車由兩臺電動機驅動，一臺是高速，一臺是慢速。當小車前進時以慢—快—慢的形式進行，返回時按慢—快—慢的形式后退。當工件從傳送帶傳輸到機械手下方時，工件碰壓行程開關SQ1，B缸活塞桿伸出，帶動機械手下降，下降至終點碰壓行程開關SQ3與機械手夾鉗相連的A缸活塞桿收進，機械手將工件夾緊；當工件夾緊到位時，行程開關SQ5動作，B缸的活塞桿收進，把工件提升；當工件提升到最高位置時碰壓行程開關SQ4，啟動小車慢速右行；當小車碰壓行程開關SQ7時轉為快速行走；接近終點時小車碰壓行程開關SQ8，轉為慢速行走；行至右端行程開關SQ9，小車停止前進；停留5秒后，B缸活塞桿再次外伸，機械手下降至終點，A缸活塞桿外伸帶動夾鉗松開，將工件放下；然后機械手上升，小車以慢—快—慢的形式沿原路返回，恢復到圖示所示的原點位置。2.3機械手的控制要求為了便于生產加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執行相應的動作，其它動作以此類推。回原位：當由于斷電或其它原因導致機械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執行一個周期后停止在原點位置連續運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執行各工步動作。該機械手在自動工作狀態時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。3 機械手硬件系統設計硬件系統設計包括機械部分和電氣控制部分的設計。3.1機械手的結構設計其結構如圖3—2所示
圖3—2：機械手的結構示意圖
圖中設置9個行程開關SQ1—SQ9用于檢測工件、小車、機械手的位置及機械手夾鉗的夾緊、放松狀態，并對系統實施控制。其中SQ1為工件是否到位的檢測開關；SQ2為小車原位檢測開關；SQ3、SQ4分別為機械手下降上升是否到位檢測開關；SQ5、SQ6分別為機械手夾緊放松檢測開關；SQ7、SQ8分別為小車速度轉換開關；SQ9為小車運動停止開關。3.2電氣控制的設計包括主電路和控制電路的設計。主電路由兩臺電動機，即慢速電機和快速電機，分別拖動小車慢行和快行，其控制如下：慢速電動機M1由接觸器KM1、KM2分別控制其正傳和反轉；快速電動機M2由接觸器KM3和KM4分別控制其正傳和反轉。機械手的夾緊放松動作是由一單電兩位四通電磁閥控制的一個液壓缸完成的，在通電情況下，機械手松開，得電時松開，可以防止在設備運行過程中突然斷電導致的機械手松開，工件脫落的情況發生。3.3操作面板及動作說明根據控制和生產工藝的要求，控制操作包括手動和自動，手動又包括手動步進、回原位操作，自動控制包括單步、單周期、連續的操作。故操作方式選擇開關設置有五個檔位。手動工作方式下，手動動作包括上升、下降、放松、快進、慢進、快退、慢退和復位，故設置六個動作看官按鈕。各個動作進行的同時均設有動作指示燈。另外設有啟動停止按鈕。其操作面板如圖3—3所示：
圖3—3機械手操作面板示意圖
3.4 I/O分配I/O設備即所需的I/O點數如下表所示：
信號 | I/O設備 | I/O點數 | 信號 | I/O設備 | I/O點數 |
輸 入 | 操作方式選擇旋鈕開關手動時運動選擇按鈕啟動停止按鈕行程開關 | 5829 | 輸 出 | 交流接觸器控制線圈電磁閥動作指示原點指示 | 4381 |
圖3—4 F1-40MR樣圖
控制電路設計主要是PLC輸入、輸出接線的設計，其I/O分配如圖3—5所示。
圖 PLC I/O接線控制圖
4 機械手的軟件系統設計機械手動控制屬順序控制，故其手動程序采用普通的PLC控制指令控制，自動程序采用步進梯形指令控制4.1梯形圖的總體設計按照機械手控制和工藝流程的要求，在選擇“手動方式”時應執行手動程序；在選擇“回原位”時應執行回原位程序；在選擇自動程序時應執行自動程序。其中自動程序要在啟動按鈕按下時才執行。故梯形圖的總體構成如圖3—6所示。
圖3—6搬運機械手PLC控制梯形圖總體構成
4.2各部分梯形圖的設計4.2.1通用部分梯形圖設計通用部分梯形圖分為三部分：1）. 狀態器的初始化。初始化狀態器S600在手動方式下被置位、復位。當方式選擇開關置于“返回原位”（X514接通）時，按下復位按鈕（X507）時被置位，在“手動操作”（X510）接通時，S600復位。處于中間工步的狀態器用手動做復位操作，即在方式選擇開關位于“手動操作”或“返回原位”時，中間狀態器同步復位。故初始化梯形圖如圖3—7所示
圖3—7 狀態器初始化梯形圖
2）. 狀態器轉換啟動。若機械手工作在自動工作方式下，當初始狀態器S600被置位后按下啟動按鈕，輔助繼電器M575工作，狀態器的狀態可以一步一步的向下傳遞，即可進行轉換。在執行“連續程序” 時，轉換啟動繼電器M575一直保持到停機按鈕按下為止。另一面采用M100檢查機器是否處于原位。當M575和M100都接通時，從初始狀態器開始進行轉換，故其梯形圖如圖3—8所示。
圖3—8狀態器轉換啟動梯形圖
3）. 狀態器轉換禁止梯形圖。激活特殊輔助繼電器M574并用步進梯形指令控制狀態器轉換時，狀態器的轉換就被自動禁止。在“單周期”工作期間，按下停止按鈕時，M574應被激勵并自保持，操作停止在現行工步。當按下停止按鈕時，從現行工步重新開始工作，M574應復位，即重新允許新轉換。在“步進”工作方式時，M574應始終工作，此時，禁止任何狀態轉換。但沒按下一次啟動按鈕時，M574斷開一次，允許狀態器轉換一次。在“手動”工作方式時禁止進行狀態轉換。在手動方式解除之后，按下啟動按鈕，則狀態轉換禁止解除，M574復位，。PLC在啟動時，用初始化脈沖M71和M574自保持，以此禁止狀態轉換，直到按下啟動按鈕。故狀態器轉換禁止梯形圖如圖3—8所示。
圖3—8 狀態器轉換禁止梯形圖
通過對3—7和3—8的分析可得出：在執行“手動操作”和“返回原位”程序時，M575一直不能被接通，而M574長期被接通，（按下啟動按鈕時除外）；執行“步進”程序時沒按一次啟動按鈕，M574斷開一次，M575接通一次，狀態器轉換一次；在執行“單周期操作”程序時，按下啟動按鈕，M574斷開，M575接通，狀態器的轉換可一步一步向下轉換，直至按下停止按鈕時，M574自鎖，狀態器的轉換被禁止，操作停止在現行工序（再次按下啟動按鈕時從現行工序開始工作）；在執行“連續程序”時，M575一直接通到按下停止按鈕，此時M574一直不能接通。4.2.2手動操作梯形圖手動操作方式由于不需要任何復雜的順序控制，可以用常規繼電器順序方式來設計梯形圖。“手動操作時”按下放松按鈕時，機械手卡抓松開，當松開放松按鈕時，機械手卡爪在液壓缸作用下自動加緊并保持；按下上升按鈕，上升輸出Y435保持接通；按下下降按鈕，Y436保持接通；在上限位按下慢進按鈕，慢進輸出Y430接通，至行程開關SQ7閉合，小車停止；快進、快退、慢退情況同慢進。手動操作梯形圖設置有互鎖，只有在小車處于左限位（即X403閉合）或右限位（即X412閉合）時機械手的上升下降動作才能進行，只有當機械手處于下限位（即X404接通）機械手的加緊放松動作才可以手動控制；為了安全，同一個電動機的正反轉線圈不能同時接通，設計中設計了自鎖開關，防止線圈同時接通造成的短路。故手動操作時梯形圖如圖3—9所示。
圖3—9 手動操作梯形圖
返回原位梯形圖 在“返回原位”狀態下，“夾緊”與“下降”動作應被停止，上限位未動作時，應進行“上升”；上限位動作時，“右行”動作應停止，并左行至左限位位置。故返回原位梯形圖如圖3—10所示：
圖3—10 返回原位梯形圖
“自動”狀態梯形圖 圖3—11表示了機械手自動工作時執行各工步的情況，表示了各工步的實現和轉換的條件。在第一次下降工步中，下降電磁閥Y436接通。自下限位置時，X404接通，轉換為“夾持”過程；夾持電磁閥Y434復位，至加緊限位X406接通，轉換為上升動作；當上限為開關SQ4閉合，X405接通，小車開始慢進動作。快進、慢進、延時、下降、加緊、上升、慢退、快退、慢退動作依次類推，如上所述一步一步按順序驅動各個負載動作，稱為順序控制或過程步進型控制。
圖3—11搬運機械手自動工作流程圖
用狀態器代替自動工作流程圖的各工步，可得到3—12所示的功能表圖：
圖3—12 搬運機械手自動工作功能表圖
根據圖3—12所示的自動工作功能表圖，可設計出自動操作時的梯形圖如圖3—13所示。
圖3—13搬運機械手自動工作梯形圖
結 論本設計主要應用于機加工生產，貨物調運等場合。搬運機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準確，提高了勞動生產率，保證了工件的質量，降低了工人的勞動強度，具有較好的經濟效益和社會效益。可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性,可以在機械手的控制系統的設計中起到了十分重要的作用。本文就設計過程中的幾項關鍵的問題提出了自己的一些看法,可以有效地提高系統的抗干擾能力,對PLC讀、寫,事件響應等通信時間可進行精確的控制,取得了良好的效果.隨著機械手應用的普及，機械手向著專用化，機械結構向模塊化、可重構化的方向發展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發展，在PLC控制的過程中,還有許多的問題需要解決，PLC在機械手開發中的開發應用還有很大的空間。致 謝此次設計是在老師的悉心指導下完成的。導師為論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。王雪峰老師的嚴謹治學、不斷探索的科研作風，敏銳深邃的學術洞察力，孜孜不倦的敬業精神，給我留下了深刻的印象，使我受益良多。生活中王雪峰老師就是我的朋友，他的態度讓我對生活有了新的認識。在本文結束之際，特向我敬愛的導師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！通過此次設計，一方面讓我認識到自己的不足，發現了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎。再一方面也加強了我和老師的交流，認識到知識的淵博度。經過這次的努力，使我順利的完成了畢業設計。這份畢業設計既是對過去三年所學知識的總結，又是自己知識的積累，也大大加深了對單片機技術的了解。畢業設計中既動腦、，又動手，是一個理論與實際結合的過程。僅僅有理論是不夠的，更重要的是實際的，是我們所設計的實物，具有設計合理，經濟實用的優點。這就需要我們設計者考慮問題是要仔細、周密，不能有絲毫的大意。對設計方案的優越化，也需要我們綜合各方面的因素考慮，尤其是實際。再次像教育指導我的老師及同學表示誠摯的感謝！鑒于本人所學知識有限，經驗不足，又是初次研究這種復雜的設計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。
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