1选题背景
1.1研究意义，现状分析及其意义
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。工业机械手的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。
我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家 ,其中从事工业机器人研究和应用的有75家 ,共开发生产各类工业机器人约800台 ,90%以上用于生产中 ,引进工业机器人做应用工程的约500台[1]。
计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。在经济全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生产率，缩短订单处理时间等已成为生产企业的不断追求。为了达到这一目标，它们越来越依赖于新一代的硬件和软件系统。近年来，由于个人计算机（简称PC）的高速率和对硬件与软件的几乎无限制的开放，使得PC的应用迅猛增长。将PC机CPU的高速处理性能和良好的开放性引入到计算机控制领域，形成了基于PC的控制系统。
随着计算机控制技术在机械手应用中的不断深入，具有独立控制器、程序可变、动作灵活、定位精度高、适用于可变换品种中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展[2]。各国大企业工业机械化生产过程不同程度实现了工业机械手的计算机控制。
1.2 机械手、计算机的发展趋势及其优点
工业机械手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和适应性。它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
自从1981年IBM公司进入微型计算机领域推出了IBM-PC以后，计算机的发展开创了一个新的时代——微型计算机时代。微型计算机的迅速、大规模的应用与普及，使计算机真正广泛地应用于工业、农业、科学技术以及社会生活与日常生活的各个方面[3]。计算机以其更高标准平台的网络、高级的控制算法、广泛的数据库操作、在一个平台上的HMI功能、集成自定义的控制程序、复杂的过程模拟、很高的CPU处理速度、内存需求超出PLC规格、多重协议接口、无线存取、控制规律灵活多样，改动方便、控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制、能够实现数据统计和工况显示，控制效率高、控制与管理一体化，进一步提高自动化程度等诸多优点使得行业对计算机的接受程度越来越高。
2总体方案论证
2.1 机械系统
本设计以实验室的5自由度机械手臂为模型进行设计。
现对其机械系统结构叙述如下：
5自由度分别对应于转动基座、臂、肘、腕、钳转动五个转轴，其中转动基座转轴可在±180°范围内转动，臂转轴可在±45°范围内转动，肘转轴可在±60°范围内转动，腕转轴可在±90°范围内转动，钳转轴可在±180°范围内转动，钳口可在3.5厘米~8.5厘米的范围内开合。机械手的结构如图2-1 机械手结构简图
各转动关节采用步进电机作为动力源，步进电机不直接驱动转轴，而是安装在转轴旁边，利用差动变速原理使用适当比例的齿轮基于带齿皮带传动，有效增大机械手臂扭矩从而增强机械手臂的负载能力。
图2-1机械手结构简图
2.2 驱动系统
工业机械手的驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动，以往以液压、气动用的最多，占90%以上，但随着近几年电子技术的发展，电气驱动开始广泛应用于工业机械手制造，采用电气驱动的机械手最大优势是便于实现数字控制，其中采用步进电机作为驱动机构的机械手占有相当比重；
步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美，步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机在很多领域得到应用。
所以本设计的机械手驱动部分采用步进电机驱动。
底座安装有4个开关电源，4个步进电机驱动器，其中包括转动基座、臂、腕、钳旋转4转动轴的步进电机驱动器。臂腔内有肘、钳开合2个步进电机驱动器，转动基座、臂、肘、腕、钳旋转决定了机械手的可操作角度和范围。手臂的终端配备可灵活张合的机械钳，可对物体进行拾放。其中腕、钳转动共用一个开关电源，肘、钳开合共用一个开关电源。
整个系统使用220V 50Hz市电电源。
2.3 控制系统
控制器是整个系统的核心，其处理能力与整个系统的快速性、稳定性、准确性密切相关。对于控制器的选择提出两种方案论证：
方案一：采用计算机+板卡的方式对机械手进行控制。
优缺点：优点是便于实现生产信息化，设计相对较简单，可实现很复杂的运动控制，但计算机稳定性程度不够高，可能出现死机等情况。
方案二：控制器采用PLC来控制现场的步进电机。
优缺点：优点是生产安全可靠、提高产品质量及产量、控制环境污染、降低工人劳动强度、提高设备的运转率及劳动生产率。由于PLC有着极大的灵活性，易于模块化，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍做修改，程序中做简单补充、修改即可[4]。缺点是使系统设计多了一个环节，增加设计工作量，增加成本。
最终方案确立：PLC是以微处理器为核心的数字式、电气自动控制装置，其实质是一种工业控制专用PLC。机械手的控制系统的可靠性要求比较高、环境比较恶劣，所以采用方案二。
3硬件方案设计
3.1 整体方案设计
设计方案采用集成了步进电机驱动器包含转动基座、臂、腕、钳转动、钳开合5自由度步进电机动力源机械手，晶体管输出型PLC对步进电机输出脉冲实现机械手运动控制。
现场总线采用Profibus-DP通讯方式；其优点在于有国际标准做保证，经实际应用验证具有普遍性。目前广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等领域。
工业控制计算机运行组态通过Profibus-DP网络对PLC、机械手运行情况进行检测、监视及控制，并采用OPC接口将系统接口开放方便其它设备连入实现统一监控、管理，利用数据库软件与组态软件的连接将生产数据归档供其它部门调用。
通过现场上位工业控制计算机、触摸屏（或控制柜）、远程厂长计算机三种方式对机械手的运行情况进行组态监控，其中上位工业控制计算机还将完成对现场数据的采集、归档供其它部门调用，系统的结构使得系统具有开放的接口可以方便地接入其它支持现场总线的控制终端，实现工厂生产的网络化、信息化，同时保证各个控制终端互不影响，易维护，尤其是利用角位移传感器实现了对机械手故障的报警，保证机械手的稳定、安全运行。
3.2步进电机驱动器
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如图3-3步进电机驱动过程图：
图3-3 步进电机驱动过程图
脉冲信号的产生：
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
信号分配：
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。
功率放大：
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如图3-4步进电机驱动器连接图：
图3-4 步进电机驱动器连接图
说明：
CP：接脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO：接+5V
FREE：脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR：方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC：直流电源正端
GND：直流电源负端
A：接电机引出线红线
B：接电机引出线黄线
步进电机及其驱动器、开关电源的选型：
在本设计中采用的是已有的机械手模型，对其动力源——步进电机的选型主要考虑的方面是电机的尺寸是否能够安装到机械手上，在能安装到机械手上的前提下，尽量选择大功率电机使机械手带负载能力增强，结合以上所述选取原则对步进电机及其驱动器进行选型如表
表3-1 步进电机及其驱动器的选型
步进电机驱动器硬件连接示意图：
图3-10 SH-20803N硬件连接示意图
图3-10 SH-20403硬件连接示意图
根据所使用的电机型号的需求，对开关电源选型如表3-3开关电源的选型：
表3-4 开关电源的选型
总设计电路图：
图3-11总体设计方案图
硬件图：
图3-12 力扬EX1N14系列PLC
图3-13步进电机驱动器
4软件方案设计
4.1 整体方案设计
整体编程思路：本设计采用控制柜和计算机两种方式对机械手进行运动控制，其中控制柜的控制方式是采用按钮进行点动控制，即在控制柜面板上设置有各关节的控制按钮各两个，每个关节的两个按钮分别控制该关节的两个相反方向的运动，按钮采用自锁型按钮，即当按下某个按钮时，机械手相应关节开始运动，再按一次该按钮，机械手停止运动，当按下该关节的另一个按钮时，该关节开始相反方向的运动，再按一次该按钮，机械手停止运动，要注意的是需要在程序中使两个按钮互锁，避免两个按钮同时按下发生程序运行紊乱。
同时控制柜上有一个自锁型按钮用来切换控制柜控制方式和计算机控制方式，这样，当计算机发生死机等故障时，按下该按钮可将控制方式切换为控制柜控制方式。
4.2 变量统计
根据以上工艺要求，初步统计各种I/O点、V交换区数据统计、中间继电器统计、状态位统计分别如表：
表4-1 I/O点统计
4.3 PLC程序编写
程序流程图如图4-1程序流程图：
图4-1 程序流程图
MELSOFT系列GX DEVELOPMENT程序的编写：
1:大腰的程序
2：爪的程序
3：腕的程序
4：自动程序：
结束语
本系统以计算机为主完成对机械手的运动监控。机械手的直接控制机构为PLC，当上位机出现死机等故障时不影响整个系统的运行，可通过现场的控制柜进行控制。上位机除了点动控制外还借助于位置传感器的输入可进行角度输入控制机械手的精确定位。同时将机械手的位置信息通过位置传感器检测并传送到PLC的V区并使用这些信息进行实时检测及数据归档，提供对机械手运行情况的历史纪录及查询。
在设计中我们使用Profibus-DP通讯协议，方便了以后扩展系统设备及功能，不至造成因扩展需要使整个系统重新设计制作的浪费。
存在问题：由于机械手的运动为三维运动，采用上位组态监控时无法做到真正的实时画面模拟，只能以平面的方式完成对机械手运动的部分控制。
建议：采用组态软件与三维制作软件结合进行组态监控。
致谢
在本次设计过程中，得到了指导教师的热情指导及关怀。老师治学严谨，知识渊博，平易近人，又有很丰富的现场作业经验，务求实效，在每次向他们请教的过程中都使我受益匪浅，在技术和实践方面对我的培养，使我焕然一新。在设计的过程中，老师的耐心、倾力指导，使我学到了许多新的知识，在处理问题方面有了很大的进步，逐渐弥补了自己的不足，使我的设计得以顺利完成,在此表示衷心的感谢！
本次设计的顺利完成，更离不开领导对我们的大力支持，使我们得以有丰富的设备资源运用到我的设计中，在此表示崇敬的谢意！
同时，所有教过我基础知识和专业知识的老师，正是他们的言传身教为我的设计的顺利完成打下了坚实的理论基础，在此也表示深深的谢意！
在设计的过程中，实验室的同学互帮互助，形成了很好的学习氛围，使我在做毕业设计的时候感到事半功倍，在此感谢所有实验室的同学的无私帮助！