正文基于现场总线的机械手控制系统的设计

1 绪论

1．1课题研究的目的及意义

机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。国内外都十分重视它的应用和发展。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

随着机械手应用范围的不断扩大，其技术性能也在不断提高。未来机械手的一个最大特点是它的智能化。现在所进行的一项重要工作就是在机械手的相关部位安装各种传感器，进行有感觉的信息反馈，使机械手具有更多的功能，如能准确的抓取方位在变化的物体，能自动避开障碍物，能根据不同的物体自动决定夹紧力的大小，能判断被抓取物体的重量等等。

由于机械手不少技术问题的解决，机械手的研究意义将更加巨大，因此，要不断提高机械手的技术的研究发展，如研究新型的、适用的视觉、触觉等传感器及识别系统，研究人与机器人相互联系的功能装置，即人机对话，研究更灵活的手臂及抓手，提高机

械手的控制性能，实现部件的小型化，使机械手结构组合化、标准化，提高可靠性和安全性，发展以机械手为中心的自动化生产线等等。

在机械工业中，研究机械手的意义可以概括如下：

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。

2.可以改善劳动条件

可以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。

3.可以减少人力，便于有节奏地生产

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。

综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。

1．2国内外机械手研究状况

机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨

色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。

目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。

国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

国内方面：目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。

1．3课题研究的内容

本课题主要研究的是一个基于CAN总线的机械手控制系统的设计与开发。该机械手为关节式液压机械手，控制系统采用了基于CAN现场总线技术，主控计算机系统由一个带有PCI—841CAN卡的工业级个人计算机及其上位机软件系统构成；下位机由PIC16F877单片机及其外围电路构成，采用CAN控制器SJA1000和收发器82C250等构成了一个智能化的CAN节点，并通过下位机应用程序实现CAN总线的通信，从而实现了高速、可靠、方便扩展的现场总线机械手控制系统。

2PIC16F877单片机简介

2．1 PIC16F877概述

PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。

如图1-1为PIC16F877的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIP(Dual In Line Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)与QFP(Quad Flat Package)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。如图所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD)为正电源接脚，Pin12与Pin31(VSS)为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三种以上功能，例如Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset)后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。

图1-1. PIC16F877接脚说明（图片来源：Microchip PIC16F87X Data Sheet）PIC16F877属于闪控式(Flash)单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8K words，以2K为一个page，区分为4个pages；内部RAM总共有512个字节(00f~1FFh)，

以128个字节为一个Bank，共区分为4个Bank，如图1-2所示，每个Bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。

图1-2. PIC16F877的RAM配置图（图片来源：Microchip PIC16F87X Data Sheet）

2．2 特殊内嵌功能

PIC16F877属于内嵌功能较多的单片机，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下：

●A/D converter：模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。

●CCP：Capture、Compare、PWM，用于控制直流马达。

●Timer，内部定时器，有Timer0、Timer1、Timer2等。

●USART：Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，同步/异步串行传输，如RS232、RS485等。

●MSSP；Master Synchronous Serial Port，两线式(I2C)与三线式(SPI)标准同步串行传输协定，常用于EEPROM内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。

2．3 PIC16F877基本电路

2．3．1PIC振荡频率电路

单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步∕异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关，不同系列单片机有不同振荡频率，根据产品资料手册，PIC16F877振荡频率最高可到20MHz；在图1中，振荡电路接于Pin13(OSC1/CLKIN)与Pin14(OSC2/CLKOUT)，而振荡电路有以下四种形式：

LP：使用低功率振荡晶体(Low Power Crystal)

XT：使用振荡器∕谐振器(Crystal/Resonator)

HS：使用高速振荡器(High Speed Crystal/Resonator)

RC：使用电阻∕电容(Resister/Capacitor)

一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源，外接电路及PIC内部电路说明如图1-3所示。图中电容C1与C2规格大小是根据Crystal或Resonator而有所不同，表1列出电容建议值，使用其它振荡源的电路说明请参考产品资料手册。

图1-3振荡源电路图（图片来源：Microchip PIC16F87X Data Sheet）表1. 建议电容值（图片来源：Microchip PIC16F87X Data Sheet）

2．3．2 外加电源与重置电路

PIC16F877的工作电压为5V，连接Pin11与Pin32，Pin12与Pin31为地线接脚；重置电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。

图1-4. 电源与重置电路

2．3．3 输入输出接口

PIC16F877除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O 命名为PORTA(RA0~RA5)、PORTB(RB0~RB7)、PORTC(RC0~RC7)、PORTD(RD0~RD7)和PORTE(RE0~RE2)等，各分组接口特性说明如下：

●PORTA

PIC16F877的PORTA总共有6个位(RA0~RA5)，PORTA的接脚可作为数字输出输入端口，而系统重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟输入讯号。

●PORTB

PORTB总共有8个位(RB0~RB7)，可以撰写程序规划输入输出方向、状态，其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是Pin36(RB3/PGM)、Pin39(RB6/PGC)与

Pin40(RB7/PGD)。

●PORTC

PORTC总共有8个位(RC0~RC7)，除了可作为数位I/O外，还和一些特殊功能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通讯电路）、UART （异步串行传输电路）等等。

●PORTD

PORTD总共有8个位(RD0~RD7)，可作一般数字I/O，并与PSP(Parallel Slave Port)并列传输接口共享。当整体系统需要多单片机时，彼此可以经由并列传输接口来快速传输资料。

●PORTE

PORTE总共有3个位(RE0~RE2)，PORTE的Pin8、9、10有三种功能，除了基本I/O 功能，也有模拟输入功能，而上述PORTD的并列传输接口设定所需的控制接脚，如/RD、/WR、/CS等，也是属于PORTE接脚。

2．4 PIC16F877指令简介

PIC16F877常用的语言有汇编语言与C语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式；而C语言是比较符合人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成C语言形式，使用较为方便，但是C语言所组译的机器码程序通常比较大，且组译软件通常需要额外购买。以下简介汇编语言相关指令与一套C语言组译软件。

2．4．1 PIC16F877指令摘要

PIC是采用RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集），与8051系列采用的CISC（Complicated Instruction Set Computing，复杂指令集）不同，PIC16F877所有指令指有35个，8051高达111个指令，图5为PIC16F87X指令列表，详细指令说明请参阅产品资料手册。

图5. 组合语言说明（图片来源：Microchip PIC16F87X Data Sheet）

3机械手控制系统及CAN总线基础

本章首先介绍了典型机械手及其控制系统的构成。机械手控制系统一般包括集中控制系统结构和分散控制系统结构，近年来又发展了基于现场总线的机械手控制系统。CAN 总线是一种具有极大应用前景的现场总线技术，由于其特点适合用作多关节的机械手总线技术。本章概要介绍CAN总线规范和应用原理，总结其在工业应用方面的实例，最后介绍CAN总线编程的概念和基础。

3．1 典型机械手及其控制系统的构成

3．1．1 典型机械手的构成

通常，机械手是一个机械电子系统。它的6大要素是计算机、动力、传感器、驱动系统、执行器和机械本体，如图2-1所示。

图2-1 典型机械手结构示意

“计算机”是机械手的指挥系统。它将来自各传感器的检测信息集中、存储并进行处理，然后按照一定的程序和节奏发出各种指令，去指挥和控制整个系统的运动。

“动力”是机械手的能源，为“驱动系统”提供能量和动力功能，并驱动执行器运行。

“传感器”是机械手感知外界的器官。其功能是将系统运行中需要的各种参数及状

态检测出来，变成一种可测量的物理信号，传给计算机，经过信息处理后根据需要做出反应。它与人的五官作用相似。

“执行器”是机械手完成抓取物体和扩大行走范围的环节，和人的四肢作用相似。

“机械本体”是指机械手的机械结构和支承装置和人的躯体作用相同。

3．1．2 机械手控制系统

常见的机械手控制系统有两种形式，一种是集中控制，另一种是分散控制。下面对这两种机械手控制系统作简单介绍。

1．集中控制系统

集中控制即由一台主机控制一个机械手系统。主机负责全部控制系统工作，包括机械手运动学分析、路径规划及控制算法等，而各关节的驱动及控制通过一个接口卡直接和集中控制计算机相连，如图2-2所示：

图2-2 机械手的集中控制系统结构示意图

这类控制装置采用速度和性能较好的PC机来进行控制，能够实现在线编程，友好交互，系统具有结构简单、搭建方便等优点。但对于要求较高、运算量较大的机械手控制系统，其处理速度受到很大的制约。同时，系统连线复杂，降低了系统的可靠性。2．分散控制系统

分散控制机械手系统是指控制系统有一个主处理器，同时还有多个分处理器，主处理器负责控制系统的总体控制，而分处理器负责单个关节的控制，如图2-3所示。

图2-3 机械手分散控制系统示意图

分散控制系统提供了一个开放、实时、精确的机械手控制系统，可以在上位机上进行不同的轨迹规划和控制算法，在下位机上进行插补细分和控制优化等的研究和实现。3．1．3 基于现场总线的机械手控制系统

随着分散控制系统的规模扩大，如普通6关节的机械手就需要有个独立的控制器，同时它们之间必须能够进行实时、高效、可靠的通讯。为此，随着现场总线技术的发展，该技术在机械手控制系统领域也得到了应用。

根据IEC1158定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备／仪表与控制室内的自动控制装置和系统之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制与通信技术结合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。

其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两种；“现场设备／仪表”是指位于生产现场的各种传感器、驱动器和执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。人们把基于这项技术的自动化系统称为基于现场总线的控制系统FCS(Fieldbus Control System)。

采用现场总线的主要技术特点如下：

●用数字化通信取代4～20 mA模拟仪表；

●控制功能下移，实现彻底地分散控制；

●具有互操作性；

●集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体；

●真正的开放式系统。

到目前为止，世界上约有40多种现场总线，比较流行的有：CAN总线、Profibus 总线、LonWorks总线、ISP总线协议及WorldFIP总线标准等：

基于CAN总线的分散式机械手控制系统结构，如图2-4所示。

图2-4基于CAN总线的分散式机械手控制系统

基于CAN总线的并行DSP的机械手控制器，使系统实现双速率运行，同时满足系统对计算时间和高伺服控制频率的要求。但其结构复杂，适合对控制策略要求较高的机械手控制系统。对于普通的机械手控制系统，可以采用单片机组成下位机及关节驱动控制器，该方案基本开发实例采用的技术方案。

3．2 CAN总线原理与应用基础

3．2．1 CAN总线基础

1．CAN总线概述

“Controller Area Network”，即控制器局域网，简称CAN，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用PHILIPSP 82C250作为CAN收发器

(或称CAN驱动器)时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1 Mbit／s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN 的抗电磁干扰能力，亦即增强了控制系统的抗电磁干扰能力。

CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时，CAN仍可提供高达50kbit／s的数据传输速率。

2．CAN总线的发展

CAN总线最初出现在20世纪80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作，这就使得电子装置之间的通信越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。

提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。可见，CAN总线最初被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络，比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备和电子主干系统，均嵌入CAN控制装置。

1993年，CAN总线已成为国际标准ISOll898(高速应用)和ISO11519(低速应用)。

由于CAN总线具有很高的实时性能，因此CAN总线已经在汽车工业、航空工业、工业控制和安全防护等领域中得到了广泛应用。CAN总线协议定义CAN通信协议主要讲述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义于开放系统互联模型。每一层与另一设备上相同的那一层通信。实际的通信发生在每一设备相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互联。CAN规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。

表2-1展示了OSI开放式互联模型的各层。应用层协议可以有CAN用户定义成特别适合工业领域的任何方案，已在工业控制和执照业领域得到了广泛应用的标准是DeviceNet。这是为可编程控制器和智能传感器ingy设计的。在汽车工业，许多制造商都应用自己的标准，但CAN总线是应用较多的一种。

表 2-1 OSI开放系统互联模型

3．2．2 CAN总线的特点

1．CAN总线的主要特性

CAN属于现场总线范畴。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器和抗滑系统应用中，CAN的位速率可高达1 Mbps。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电器系统中，例如：灯光聚束、电气窗口等，以代替需要的硬件连接。

CAN的主要特性：

●低成本；

●总线利用率高；

●数据传输距离远(长达10 km)；

●高速的数据传输速率(高达l Mbit／s，1．0版本)；

●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

●可靠的错误处理和检错机制；，

●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；。

●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；’

●报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息和优先级信息。2．CAN总线的数值特性

CAN总线的数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”Dominant 数值表示逻辑0，而“隐性”Recessive表示逻辑1。“显性”或“隐性"位同时发送时，

最后总线数值将为“显性”。总线位的数值表示如图2-5所示。在“隐性”状态下，CAN H V -和CAN L V -被固定于平均压电平，diff V 近似为0。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性"状态。“显性”状态以不大于最小阈值的差分电压表示。在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。

图2-5 CAN 总线位的数据表示

CAN 能够使用多种物理介质，例如：双绞线和光纤等，最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送．两条信号线被称为CAN —H 和CAN —L ，静态时均是2．5 V 左右，此时状态表示为逻辑1，也可以叫做“隐性”。用CAN —H 比CAN —L ，高表示逻辑0，称为“显性”，此时，通常电压值为：CAN H V -=3．5 V 和CAN L V -= 1.5 V 。

3．CAN 总线的传输距离

CAN 系统内任意2个节点之间的传输距离与其位速率有关。2个节点间的最大距离，如表2-2所列。 4．CAN 总线的技术规范

CAN 总线是一种串行通信协议。在CAN 总线通信接口中集成了CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对数据的成帧处理。CAN 总线的一个最大特点是废除了传统的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据标识可由ll 位或者29位二进制组成，因而可以定义211或者229个不同的数据块。这种按照数据块编码的方法，还可使不同的节点同时接收相同的数据。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业控制领域中控制命令、工作状态

及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间太长，从而保证通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。

表2-2 CAN总线系统任意2个节点之间的最大传输距离

由于CAN总线为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化：为此，1991年9月PHILIPS Semiconductor制定并发布了CAN技术规范(Version 2.0)；该技术规范包括A和B两个部分。2．0A给出了曾在技术规范版本1．2中定义的CAN报文格式。而2．0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局域网(CAN)国际标准(ISO11898）专控制局域网标准化、规范化铺平道路。

5．CAN前景展望

尽管CAN协议已经有1 5年的历史，但它仍处在改进之中。从2000年开始，一个由数家公司组成的ISO任务组织，定义了一种时问触发CAN报文传输的协议。Bernd Mueller博士、Thomas Fuehrer、Bosch公司人员、半导体工业专家和学术研究专家，将此协议定义为“时间触发通信的CAN(TTCAN)"，并计划在将来标准化为IS011898—4。这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现CAN的xby- wire应用。因为CAN协议并未改变，所以，在同一个物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。

TTCAN将为CAN延长5～10年的生命期。现在，CAN在全球市场上仍然处于起始点，

应当得到重视，谁也无法预料CAN总线系统在下一个10～15年内的发展趋势。这里需要强调一个现实：近几年内，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN；另外，大量潜在的新应用(如娱乐)正在呈现，不仅可用于客车，也可用于家庭消费，同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。

德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TUV已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证。CANopen—Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案，DeviceNet—Safety 也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一，Germanischer Lloyd．正在准备提议将CANopen固件应用于海事运输。在其它事务中，规范定义可以通过自动切换将CANopen 网络转换为冗余总线系统。

3．2．3 CAN总线技术的工业应用

由于CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通信协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初的汽车工业迅速发展至数控机床农业机械、铁路运输、粮情检测及过程测控等各个方面。

CAN在国外发展迅速，奔驰S型轿车采用的就是CAN总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线；美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。

从现场控制的角度看，基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN作为现场设备级的通信总线，和其它总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比，其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。

目前，CAN接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单，CAN总线可广泛应用于工业测量和控制领域。

由于CAN总线的以上特点，其适合应用到机械手控制领域，尤其适合具有多个关节的大型机械手，以及多个机械手协同控制的环境，在机械手的不同关节控制器以及其与主控制器之间、多个独立机械手协同控制的总线连网，都可以采用CAN总线技术。由于底层网络的控制系统将控制功能分散到由CAN总线连接的各个智能控制节点，这些节点并行工作，某个节点的失效不会影响其它节点的运行，使系统危险降低，并且可以通过备用节点替换出现故障的节点，使系统的可靠性大大提高。

3．3 CAN总线的应用软件设计

3．3．1 CAN控制器应用软件设计概述

CAN控制器其内部硬件实现了CAN总线物理层和数据链路层的所有协议内容，有关CAN总线的通信功能均由CAN控制器自动管理执行。CAN控制器对于CPU来说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。

CAN控制器的地址域由控制段和报文缓存器组成，在初始化向下加载期间，控制段可被编程以配置通信参数。CAN总线上的通信也通过此段由CPU控制．被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后，CPU可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使用。

对于在片的CAN控制器，与CPU之间的接口一般借助于4个特殊寄存器：CAN地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器。

对于单独的CAN控制器，MCU可以通过其地址／数据总线对其寄存器直接寻址，就像MCU对一般外部RAM寻址一样。通过对这些寄存器的编程操作．可以很方便地控制CAN 控制器完成通信功能。

3．3．2 CAN总线节点的应用程序设计

CAN总线节点要有效、实时地完成通信任务，软件的设计是关键，也是难点。它主要包括节点初始化程序、报文发送程序、报文接收程序以及CAN总线出错处理程序等。CAN控制器芯片SJAl000的内部寄存器是以作为微控制器的片外寄存器存在并作用的。微控制器和SJAlOOO之间状态、控制和命令的交换都是通过在复位模式或工作模式下对这些寄存器的读／写来完成的。

在初始化CAN内部寄存器时，注意应使各节点的位速率一致，而且接、发双方必须同步。报文的接收主要有两种方式：中断和查询接收方式。为提高通信的实时性，文中采用中断接收方式，而且这样也可保证接收缓存器不会出现数据溢出现象。SJAlOOO的Basic CAN工作模式是与其前一款PCA82C200独立控制器相兼容的模式，而PeliCAN工作模式支持CAN协议中的更多功能，它的程序设计也与之有所不同。

物料分拣机械手自动化控制系统设计

物料分拣机械手自动化控制系统设计 摘要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 关键词:机械手；可编程控制器；自动化控制；物料分拣

目录 第一章前言 (1) 1.1研究的目的及意义 (1) 1.2主要研究的内容 (1) 第二章控制系统的组成结构和性能要求 (2) 2.1控制系统的组成结构 (2) 2.2控制系统的性能要求 (2) 第三章传感器的选择 (4) 第四章控制系统PLC的选型及控制原理 (6) 4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (6) 4.2 PLC种类及型号选择 (10) 4.3 I/O点数分配 (10) 4.4 PLC外部接线图 (11) 4.5机械手控制原理 (12) 第五章 PLC程序设计 (14) 5.1总体程序框图 (14) 5.2初始化及报警程序 (15) 5.3手动控制程序 (16) 5.4自动控制程序 (16) 第六章总结与展望 (19) 参考文献 (20) 谢辞 (21)

(完整版)基于plc的机械手控制系统设计

前言 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。 本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。

机械手设计说明书-毕业设计

Equation Chapter 1 Section 1(1.1) 本科毕业设计说明书 题目抓件液压机械手设计 姓名Design of hydraulic manipulator for grasping 谢百松学号20051103006 专业机械设计制造及其自动化 指导教师肖新棉职称副教授 中国·武汉 二○○九年五月

分类号密级华中农业大学本科毕业设计说明书 抓件液压机械手设计 Design of hydraulic manipulator for grasping 学生姓名：谢百松 学生学号：20051103006 学生专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：肖新棉副教授 华中农业大学工程技术学院 二○○九年五月

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 前言 (2) 1.总体方案设计 (2) 2.手部设计 (3) 2.1 确定手部结构 (4) 2.2 手部受力分析 (4) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 手抓夹持误差分析与计算 (6) 2.5 手部夹紧缸的设计计算 (6) 2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算 (6) 2.5.2 缸体结构及验算 (7) 2.5.3 缸筒两端部的计算 (8) 2.5.4 缸筒加工工艺要求 (10) 2.5.5 活塞与活塞杆的设计计算 (10) 3.臂部设计 (12) 3.1 臂部设计基本要求 (12) 3.2 臂部结构的确定 (12) 3.3 臂部设计计算 (12) 3.3.1 水平伸缩缸的设计计算 (12) 3.3.2 升降缸的设计计算 (14) 3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算 (15) 4.液压系统设计 (16) 4.1 系统参数的计算 (16) 4.1.1 确定系统工作压力 (16) 4.1.2 各个液压缸流量的计算 (16) 4.2设计液压系统图 (17) 4.3 选择液压元件 (19) 4.3.1泵和电机的选择 (19) 4.3.2 选择液压控制阀和辅助元件 (19) 4.4根据动作要求编制电磁铁动作顺序表 (20) 5.控制系统设计 (21) 5.1 确定输入、输出点数，画出接口端子分配图 (21) 5.2 画出梯形图 (21) 5.3 按梯形图编写指令语句 (23) 6. 总结 (24) 参考文献 (25) 致谢 (26)

基于西门子S7_200PLC控制的机械手项目技术报告

概要 本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。 左移

目录 前言 第一章机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1．1 机械手概念 1．2 机械手总体结构 第二章PLC介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2．1 PLC发展史 2．2 PLC应用 2．3 PLC特点 第三章汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3．1汽缸概念与汽缸分类 3．2汽缸结构与工作原理 第四章相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4．1电磁阀介绍 4．2传感器介绍 第五章项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 5．1机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .11 5．2机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .11

气动机械手设计说明书

气动机械手设计说明书

作者: 日期：

目录 气动机械手及继电器控制系统设计 (4) 第一章绪论 (4) 1.1气动机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1.......................................................... 机械手的组成 5 1.2.2.......................................................... 机械手的分类 5 1.3 课题的提出及主要任务 (7) 第2章继电器硬件系统设计 (8) 2.1系统分析 (8) 2.2方案确定 (9) 2.3元器件介绍 (9) 第三章软件系统设计 (14) 3.1控制方案的确定 (14) 3.2工作过程 (17) 第四章调试过程 (19) 第五章设计总结 (23) 第六章附图 (25) 6.1 三维零件图： (25) 6.2三维装配图： (26) 第七章参考文献 (28)

气动机械手及继电器控制系统设计 第一章绪论 １.1 气动机械手概述 气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率, 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率: 可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产; 尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中, 它代替人进行正常的工作, 意义更为重大。因此, 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用. 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床

基于PLC控制的机械手控制电路设计

摘要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。 本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。 运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。 关键词：机械手，气缸，可编程序控制器

目录 摘要............................................................................. I 1 绪言 (1) 1.1 机械手的概述 (1) 1.2 我国机械手的发展 (1) 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 (3) 1.4 PLC概念的由来和产生 (5) 1.5 本课题设计要求 (8) 2 机械手的总体设计方案 (9) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.2 机械手基本形式的选择 (10) 2.3 驱动机构的选择 (11) 2.4 机械手的技术参数列表 (11) 3 机械手的机械系统设计 (13) 3.1 机械手的运动概述 (13) 3.2 机器人的运动过程分析 (14) 4 机械手手部结构设计及计算 (15) 4.1 手部结构 (15) 4.2 手部结构设计及计算 (16) 4.3 夹紧气缸的设计 (18) 5 机械手手臂机构的设计 (24) 5.1 手臂的设计要求 (24) 5.2 伸缩气压缸的设计 (24) 5.3 导向装置 (29) 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 (30) 6.1 结构设计 (30) 6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 (30) 6.3 导向装置 (34) 6.4 平衡装置 (34) 6.5 基座结构设计 (35)

示教机械手控制系统设计

百度文库- 让每个人平等地提升自我 0前言 / 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到 生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地 改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单 位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的 场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受 到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开 发物料搬运机械手，采用的德 结束语 目录 0前言 0 1 课程设计的任务和要求 ...................................................................... 1 课程设计的任务 ............................................................................ 1 课程设计的基本要求 (3) 2总体设计 (3) PLC 的选型 端子分配图 3 PLC 程序设计 设计思想... 顺序功能图 4程序调试说明 参考文献

国西门子S7-200系列PLC对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。我们利用可编 程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产 机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。 、1课程设计的任务和要求 课程设计的任务 1）示教机械手控制系统设计 2）示教机械手系统示意图如下图所示

机械手机械原理课程设计说明书

（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。

机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min； 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角0 30功能） 方案一 实现平面转角0 30的过程：电机带动不完全 齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运动，与全 齿轮固结的四杆机构，使滚子在预先设计好形 状的槽内运动，左右运动的极限位置恰好是30 度。 机构评价： 优点：因为槽的形状固定，所以能保证在一个 行程内，机构的平面转角就是30度。 不完全齿轮的使用，为机械手在抓放物 体时留下了工作时间。 缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最短杆 无法做周转运动，导致机构的回程要求齿 轮的翻转，必须在前面加入变速箱改变速 度方向。 方案二 实现平面转角0 30的过程：皮带轮传动给蜗 轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿 轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复 地带动固接杆转动0 30 机构评价： 优点：同样具有结构简单，传力较小运 动灵活，造价低准确地实现转角0 30的 要求，可以控制间歇实现循环功能。 缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮尺 寸过大加工难。 方案三 30的过程：使用槽 实现平面转角0 轮实现平面转角30度，只要计算好槽轮 的槽数，就能在主动圆盘转360度时， 使从动轮转30度。机构评价： 优点：结构简单，外形尺寸小，机械效

率高，并能平稳的间歇地进行转位。 缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。 方案的选择与比较： 只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。 §2-2 上升机构（实现上升100功能要求） 方案一 实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。通过控 制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100. 机构评价： 优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平 稳，啮合冲击小。 缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦 磨损较大，传动效率较低，易出现发热 现象，常用耐磨材料制作，成本高。 方案二 实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆 从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑 动，从而使工作杆上升100mm。 机构评价： 优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就 可以达到所需要的高度。 缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。

注塑机机械手控制电路设计

目录 题目：模具注塑机机械手控制电路设计 (1) 前言 (3) 引言 (3) 一、机械手的发展与应用现状 (3) 二、机械手的前景及方向 (5) 三、本课题的研究意义 (6) 第一章机械手硬件设计 (7) 一、机械手的总体设计 (7) 二、机械手的动作过程 (8) 三、主要部件及零件及要求 (8) 四、运动方式和工作过程 (8) 五、PLC控制方式 (8) 第二章电路设计 (9) 一、主线路 (9) 二、PLC控制及I/O分配 (9) 第三章软件设计 (12) 一、编程工具 (12) 二、梯形图如下 (13) 三、指语句令表 (15) 第四章整机调试 (18) 一、手动控制过程 (18) 二、自动运行控制过程 (18) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)

题目：模具注塑机机械手控制电路设计 作者：王家欢 【摘要】 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 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。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和PLC的I/O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。 【关键字】 气动机械手、注塑机机械手、机械手控制电路设计、PLC控制

机械手控制系统设计(完整版).doc

机械手控制系统设计 摘要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。 本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成PLC（可编程控制器）用户程序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的S7-200系列的CPU 226。该系列PLC具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。机械手的开关量信号直接输入PLC，使用CPU 226来完成全部的控制功能，包括：手动/自动控制切换，循环次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。 通过本次毕业设计，对PLC控制系统的设计建立基本的思想：能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。 关键词：机械手；PLC（可编程控制器）；CPU；梯形图

II The Design of Manipulator Control System ABSTRACT In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved. The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selection, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient. The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training. Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram

机械手臂设计说明书_

成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日

摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理

目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................

机械手及控制系统设计

河北工程大学 课程设计指导说明书 课程题目: 机械手及控制系统设计 专业: 机械设计制造及其自动化—机电方向 班级: 机制11班 姓名: 唐科 学号 110070118 指导老师: 杨玉敏 目录 第一章绪论 1、1 题目要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、2 题目概况。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、3 气动机械手。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、4 气动机械手的发展趋势。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1、5 课题的现实意义。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 第二章气动机械手的操作要求及功能 2、1 机械手移动动作示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、2 机械手操作面板图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2、3 机械手的输入\输出信号定义图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2、4 机械手顺序动作的要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 第三章机械部分设计 3、1 气动搬运机械手的结构。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、2 机械手的主要部件及运动。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3、3 驱动机构的选择。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、4 机械手的技术参数列表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、5 气动回路的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3、6 末端执行器的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 3、7 升降手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3、8 平移手臂的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 第四章机械手控制设计

机械手设计说明书doc

机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要

的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。

机械手设计说明书

机械手设计说明书 篇一： 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。选取机械手的座标型式和自由度。主要设计出机械手的手部机构。液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要

的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。

机械手电气设计说明书

（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。

（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

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机械手电气控制系统设计

目录 一、机械手设计任务书 (1) 1机械手结构、动作与控制要求 (1) 2设计任务 (1) 二、电器控制部分 (2) 1.电器元件目录表 (2) 2.机械手主电路接线图 (3) 3.继电器控制电路 (4) 4.接线图 (4) 5.电器板元件布置图 (5) 6.控制面板 (5) 三、PLC控制部分 (6) 1.PLC的选型 (6) 2.PLC I/O图 (6) 3.状态转移图 (7) 4.梯形图 (7) 5.指令表 (10) 四、参考文献 (14) 一、机械手设计任务书 1机械手结构、动作与控制要求

机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产的自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统，动作时间需要可调。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等待料架转过一定角度后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 设计要求 1.1加工中上料和下料各动作采用自动循环。 1.2各动作之间应有一定的延时（由时间继电器调定） 1.3机械手各部分应单独动作，以便调整及维修。 1.4液压泵电动机（Y100L2-4.3KW）及各电磁阀运行状态应有指 示。 1.5应有必要的电气保护与联锁环节。 2设计任务： 2.1绘制电气控制原理线路图，选用电器元件，制订元件目录表。 2.2设计并绘制以下工艺图样中的一种： 电器板元件布置图与底板加工零件图；电器板接线图；控制面 板元件布置图、接线图及面板加工图；电气箱及系统总接线图。 2.3编制设计，使用说明书，设计小结，列出设计参数资料目录。