机械手控制系统设计毕业论文
1绪论
工业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。工业机械手是工业机器人的一个重要分支，机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。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性和适应性,机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域中有着广阔的发展前景。用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化,也可代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，从而保证人身安全。
1.1选题背景及意义
1.1.1机械手简介
所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危
险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。近年来，对搬运机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视，并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这方面起步较晚，研究多集中在理论方面。因此，设计制造一个实际的搬运机械手平台，无论在理论上还是实践上都是非常有意义的[1]。
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作,代替人完成繁重、单调重复的劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS )和计算机集成制造系统(CIMS )，实现生产自动化[2]。
在国内主要是逐步扩大应用范围，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，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降
、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以根据不同的作业要求选择不同类型的加紧机构，即可组成不同用途的机械手,既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围，同时也可提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用[3]。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作[4]。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手,使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作出相应的变更。如位置发生稍许偏差时，则能自行检测并进行改正。现在重点是研究视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机，工作过程是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜和位置，并发出指令控制机械手进行工作[5]。
在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：
1）可以提高生产过程的自动化程度，应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐[6]。
2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能实现的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故[7]。
3）可以减少人力，便于有节奏地生产，应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。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[8]。
1.1.2机械手发展概况及研究现状
a.发展概况：
专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制,智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大[9] 。
早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、
军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展[10]。
总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有1 2 3 4 5 6 7 8 9 10数字识别能力，改进的方向主要是降低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力，研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈控制，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务，它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环[11]。
b.研究现状：
1）应用广泛性。机械手作为一种按人类意识进行操作替代人手的工具，被广泛应用于轻、重工业、医疗卫生、军事、科研等高新技术领域，从事目标搬移（如：搬移机械手、选择夹持机械手、运输机械手、挖掘机等）、精确定位（医疗机械手辅助手术、电子元器件机插设
备、打印设备、数控加工中心等）、模拟（残疾人假肢）等工作[12]。
2）结构多样性。机械手因其模拟人类手部的工作模式而命名，并非其形状像手。在应用的各领域、各工作层面中，机械手的形状各异，不受到任何标准形状的制约，为实用、抽象的结构体，发挥着其独有的高效作用[13]。
3）智能性。借助传感器反馈系统，将机械手工作时的动态信息及时的反馈回中央处理单元，进行动作的实时控制。即使被操作目标的表面形状和位置存在差异，机械手都能借助检测反馈信息，自动的判断夹持位置（定位位置），智能的把目标送入下一工作环节。在生产车间中运用该机械手，可实现无人化生产，构建无人车间[14]。
1.2 PLC的控制系统
1.2.1 PLC的概述
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作
等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[15]。
目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构[16]。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求，具有高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程[17]机械论文。
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和
欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称[18]。
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