摘要
随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也 逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装 卸调运，可以更好的节约能源和提高运输设备或产品的效率， 以降低其他搬运方式的 限制和不足，满足现代经济发展的要求。
本机械手的机械结构主要是曲轴在两条生产线之间搬运任务的搬运机械手控制 系统进行设计。采用了电气一体化的设计方案，使用带自锁功能的气缸实现了机械手 对工件的抓放和保证了在断气状态下机械手状态的保持，通过伺服电机来实现机械手 在水平、竖直方向快速精确的移动。采用SIEMENS公司的SIMATIC S7-200系列PLC 作为核心控制器，外扩定位模块 EM253模块对伺服电机进行精确的定位控制，从硬 件和软件两个方面进行设计，完成了 PLC在搬运机械手中硬件连接，I/O点分配和应 用程序的设计，实现了机械手的上电初始化、零点复位、故障报警、手动运行、半自 动运行和在无人看守时的自动运行。最终达到设计要求，完成搬运目的。 关键词搬运机械手 定位模块EM2253控制系统 可编程PLC SIMATIC S7-200 系列PLC核心控制器。
目录 2
1引言 1
1.1搬运机械手的应用简况 1
1.2机械手的应用意义 2
2系统设计 2
2.1系统结构及流程 2
2.2系统主要部件选择 4
2.2.1气缸的选择 5
拉长虾
2.2.2阀门的选择 6
2.2.3行程开关的选择 6
2.2.4接近开关的选择 6
2.2.5驱动电机的选择 6
3控制系统的硬件设计 7
3.1控制系统功能 7
3.2控制系统硬件结构 8
3.2.1位控模块 8
3.2.3控制系统硬件结构 9
3.3操作面板的设计 9
3.4 PLC系统设计 11
3.4.1PLC 的 I/O 分配表 11
3.4.2PLC 的 I/O 接线图 11
3.5运动控制系统的实现 12
3.6控制系统电路设计 17
4系统软件的设计与实现 19
4.1系统工作方式 19
4.2程序设计 19
4.2.1主程序设计 19
4.2.2初始化子程序设计 20
4.2.3复位子程序设计 20
4.2.4报警子程序设计 21
4.2.5手动运行子程序设计 21
化学膨胀螺栓
4.2.6半自动运行子程序 22
4.2.7自动子程序设计 23
5结束语 25
致谢 26
参考文献 27
附录1系统配件清单 28
附录2程序清单 28
1引言
1.1搬运机械手的应用简况
指尖文字识别在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中， 加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法， 程控机床、 数控机床、
加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现 机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加 工生产批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产 时间的5%。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为 实现这些工序的自动化而产生的。 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，广泛应用于柔性自动线。
无尘拖链国内外机械工业、铁路部门中搬运机械手主要应用于以下几方面：
(1)热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工 作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作 业就更需要采用机械手操作。
(2)冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工 时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一 个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的 重要于段。
(3)拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一， 促进了机械手的发展。目
前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装 卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研 制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条 件，提高喷漆的质量和效率。
近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用， 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
1.2机械手的应用意义
由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高， 对工作效率的提高迫在眉睫。
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单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求， 因此，必须利用先进设备生产自动化
机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产 物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥 的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛 的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控 机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统fms和柔性 制造单元fmc中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统 或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目 前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离， 应用规模和
产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提 高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要 意义。
2系统设计
环保材料服装2.1系统结构及流程
本课题的研究主要是将摩托车发电机的曲轴从一个自动生产线搬运到另一个自
动生产线的控制系统。两生产线的布置和具体位置参数如图 2-1所示：
图2-1机械系统整体布局示意图
机械手主要由手部、腕部、升降部、滑动部、机座和控制箱，以及其它附件组成。 其中手部为四指结构，其运动由具有自锁功能的夹紧气缸完成； 升降部以导轨为导向 装置，其运动由伺服电机驱动丝杠来完成； 滑动部也是以导轨为导向装置，其运动由 伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动来完成。PLC和相关控制器件安装于控制箱内，通过 电缆和信号线与机械手进行联接。机械手的定位采用脉冲数来控制，升降运动和滑动 都有快慢速调整，调整位置也由脉冲数来控制，而速度由脉冲频率调整。在料架 1 和料架2上分别安装接近开关，进行生产线上有无工件的检测，满足在料架1有工件 时机械手才进行下降和抓取，料架2上无工件时机械手才下降放下工件。 机械手还满 足在断气和掉电时能够自锁，保持当前的状态。
系统上电后机械手开始初始化，初始化完毕后选择工作方式，分别为手动模式， 半自动模式，自动模式。
手动模式工作下，操作员可以通过控制面板控制机械手的单步运动和零点复位，
能够在机械手故障时进行检修。
半自动工作方式下，只要操作员选择半自动工作方式，然后按下启动按钮，机械 手首先会零点复位，然后检查料架1有工件，机械手下降抓取工件，上升前进，检测 料架2上无工件机械手下降放下工件，返回原点，一个周期的动作完成，机械手停机。
自动方式开始工作下，按下启动按钮，两台伺服电机通电，滑台、升降台、气缸 等回到原位，气压表显示正常。机械手运动到上、左原点位。当检测到料架 1上有工
件时，电机1反转，升降台快速下降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位 2时，电
机1停转；气缸伸出夹紧工件，当气缸压力到达一定程度时压力传感器得电表明工件 夹紧；电机1正转，升降台先快速上升，达到一定脉冲数后时减速，当到达上原点时， 电机1停转，升降台停止；电机2反转，滑台快速前进，达到一定脉冲数后滑台减速， 到达右工位时电机2停止；当检测到生产线2无工件时，电机1反转，升降台快速下 降，达到一定脉冲数后减速，到达下工位 1时电机1停转；气缸缩回放开工件，压力 传感器失电表明工件已松开；电机1正转，升降台上升，先快速后慢速，当到达上原 点时电机1停转，升降台停止；电机2正转，滑台返回到初始位置，电机 2停止。一 个工作流程结束。机械手的工艺流程如图 2-2所示。
2.2系统主要部件选择
工业机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制， 同时还要考虑成本 因素的影响以及所能达到的技术水平。驱动元件是伺服系统的重要组成部分，是系统 的执行元件，它的作用是把驱动控制线路的电信号转换为机械运动。整个伺服系统的 调速性能、动态特性、运动精度等均与驱动元件有密切关系。 常用的驱动方式主要有 液压驱动、电气压驱动和电-液驱动三种基本类型。
结合各种驱动类型的特点和机械结构设计与传动类型的选择。本机械手采用电气 结合的驱动方式。其中，机械手的升降和平移都采用交流伺服电机驱动，手部的开合 采用气缸驱动。
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