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（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

（ProgrammableLogicController）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。

1机械手概述

1.1机械手简介

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。它可代替人的繁重劳动以实

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

而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手

是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体

力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜人工工作的环

境中，机械手起到了不可取代的作用。

1.2机械手组成

机械手主要由手部、驱动系统、控制系统组成。结构如图1-1所

示：

图1-1机械手结构图

Fig.1-1Manipulatorstructure

（1）手部

即与物件接触的部件。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。

（2）驱动系统

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。

1.3机械手的应用

随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业

中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、

电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工

业等工作中也均有所应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的是：

一、可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于实现材料的传送、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和降低生

产成本。

二、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，用人手直接操作时有危

险或根本不可能。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作

业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作

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。

三、可以减少