機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，並已成為現代科技的一個重要組成部分。
汽車業的快速發展，車外型愈求美觀流線，並由於汽車外板件要求完美無塵的衝壓生產線也向高速化、高品質、自動化、柔性化方向發展。傳統衝壓生產過程中的手工操作、人工送料的生產方式已無法滿足該行業的需要。機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動並能達到生產工藝的要求，遵循一定的程式、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視並投入了大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應用得更為廣泛。
在我國，近代幾年來也有較快的發展，並取得一定的成果，受到各工業部門的重視。
1.2 本文主要做的工作1、問題提出 ： PLC 控制的機械手最主要是應用於自動化生產中，如何綜合地運用前面學過知識點，根據實際工程要求合理組合成控制系統， 在此介紹組成可程式控制器控制系統的一般方法。
2、系統設計的主要內容（1）擬定控制系統設計的技術條件。
技術條件一般以設計任務書的形式來確定，它是整個設計的依據；（2）選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執行機構；（3）選定 PLC 的型號；（4）編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪製輸入 / 輸出端子接線圖； 1（5）根據系統設計的要求編寫軟體規格說明書，然後再用相應的程式語言（常用梯形圖）進行程式設計；（6）瞭解並遵循使用者認知心理學，重視人機介面的設計，增強人與機器之間的友善關係； 2 第二章 可程式控制器的概述2.1 可程式控制器的基本知識 PLC 的種類繁多，其規格和效能也各不相同，對 PLC 的分類，通常根據其形式的不 同、功能的差異和 I/O 點數的多少等進行大致分類.根據1、 PLC 的結構形式可將 PLC 分為整體式和模組式兩類（1）整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、CPU、I/O 介面等各件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。
小型 PLC 一般採用這種整體式機構。
整體 PLC 由不同 PLC 點數的基本單元和擴充套件單元組成，基本單元內有 CPU、I/O 介面，與 I/O 擴充套件單元相連的擴充套件口、以及程式設計器或 EPROM 寫入器相連的介面等。
擴充套件單元內只有 I/O 和電等，沒有 CPU，基本單元和擴充套件單元之間一般用扁平電纜連線。
整體式PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴充套件2 模組式 PLC 模組式 PLC 是將 PLC 各組成部分分別作成若干個單獨的模組，如 CPU 模組、I/O模組、電源模組（有的含在 CPU 模組中）以及其他模組。
模組式 PLC 由框架或基板和各種模組組成，模組裝在框架或基板的插座上。
這種模組式 PLC 的特點是配置靈活、可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便於擴充套件和維修。
大、中型 PLC 一般採用這種模組式結構。
還有一些 PLC 將整體式和模組式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。
疊裝式PLC 其 CPU，電源，I/O 介面等也是各自獨立的模組。
但它們之間是非電纜進行聯接，並且各模組可以應地疊裝，這樣不但系統可以靈活配置，還可以做的體積小巧。
2、按功能分 根據 PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低，中，高檔次（1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷監控等基本功能還可以少量模擬量輸入/輸出，算術運算，資料傳送和比較等功能，主要用於邏輯控制，順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。
（2）中檔 PLC 出具有低檔 PLC 的功能外，還具有模擬量輸入/輸出，算術運算，資料傳送和比較；資料轉換，遠端 I/O，子程式，通訊聯網等功能，有些還可增設中斷控制， 3PID 控制等功能，適應於複雜控制系統。
（3）高檔 PLC 除具有中檔 PLC 的功能外，還增加了符號算術運算，矩陣運算，位邏輯運算，平方根運算及其他特殊功能函式的運算，製表及表格傳遞功能等。
高檔 PLC 具有更強的通訊聯網功能，可用於大規模過程控制或構成分散式網路控制系統，實現工廠自動化。
3、按 I/O 點數分類 根據 PLC 的 I/O 點數的多少，可將 PLC 分為小型，中型和大型三類（1）.型 PLC――I/O 點數lt256 點，單 CPU，8 位或 16 微處理器，使用者儲存器容量 4K字以下 CE-I 型 美國奇異（GE）公司 TI100 美國德洲儀器公司 F、F1、F2 日本三菱電氣公司 C20 C40 日本歐姆龍公司 SF200 德國西門子公司 EX20 EX40 日本東芝公司 SR-20/21 中外合資無錫華光電子工業有限公司 （2）．中型――點數 256-2048 點，雙 CPU，使用者儲存器容量 2-8K S7-300 德國西門子 SR-400 中外合資無錫華光電子工業有限公司 SU-5 SU-6 德國西門子公司 C-500 日本立石公司 CE-Ш GE 公司 （3）. 大型 PLC――I/O 點數gt2048 點，多 CPU，16 位、32 位處理器，使用者儲存 器容量 8-16K S7-400 德國西門子公司 GE-IV GE 公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司 42.2 可程式控制器 PLC 的應用與前景 目前，在國內外 PLC 已廣泛應用冶金，石油，化工，剪綵，機械製造，電力，汽車，輕工，環保及文化娛樂等各行各業，隨著 PLC 效能價格 的不斷提高，器應用領域不斷擴大，從應用型別看大致可歸納為以下幾個方面：2.2.1 強量邏輯運算 利用 PLC 最基本的邏輯運算，定時，計收等功能實現邏輯運算，科取代傳統的繼電器控制用於微控制器控制，多機群控制，生產自動線控制等。
例：機床，注塑機印刷機械，裝配生產線，電鍍流水線及電梯的控制等。
這是 PLC 最基本的應用，也是 PLC 最廣泛的應用領域。
2.運動控制 大多數 PLC 都有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模組，這一功能廣泛用於各種機械裝置。
例如：各種機床，裝配機械。
機器人等進行運動控制。
3.過程控制 大，中型 PLC 都具有多路模擬量 I/O 模組和 PID 控制功能。
有的小型 PLC 也具有模擬量輸入輸出，所以 PLC 可實現模擬量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可構成閉環控制，用於過程控制。
這一功能已廣泛用於鋁爐，反應爐，水處理，釀酒及閉環位置控制和速度控制等方面。
4.資料處理 現代的 PLC 都具有數學運算資料傳遞，轉換，排序和查表等功能，可進行資料的採集，分析和處理，同時的通過通訊介面將這些資料傳送給其電智慧裝置。
例如：CNC裝置進行處理。
5.通訊聯網 PLC 的通訊包括 PLC 與 PLC，PLC 與計算機，PLC 與其它智慧裝置之間的通訊，PLC 系統與通用計算機可直接或通過通訊處理單元，通訊轉換單元相連構成網路，已實現資訊的交換和構成。
集中管理分散控制的多級分散式控制系統。
滿足工廠自動化（FA）系統發展的需要。
2.2.2 國外 PLC 發展概況 PLC 在問世以來，經過 40 多年的發展。
在美、德國等工業已開發國家已成為重要的產業之一，世界總銷售額不斷上升，生產廠家不斷湧現，品種不斷翻新，產量產值大幅 5度上升而價格則不斷下降。
目前，世界上有 200 多個廠家生產 PLC。
較多的有美國：AB 奇異、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門子公司；法國：TE 施耐德公司。
韓國：三星、LG 公司等 PLC 的發展前景（1）產品規模向大小兩個方向發展 大：I/O 點數達 14336 點，32 位微處理器，多 CPU 並行工作 ，大容量儲存器，掃描速度快高速； 小：整體結構向小型模組化結構發展，增加了配置的靈活性，降低了成本；（2）PLC 在閉環過程中應用日益廣泛；（3）不斷加強通訊功能；（4）新器件和模組不斷推出 6 第三章 可程式控制器的程式語言3.1 可程式控制器的幾種程式語言 可程式控制器的程式語言按 IEC61131-3 國際標準來分主要包括圖形化程式語言和文 本 化 編 程 語 言 。
圖 形 化 編 程 語 言 包 括 : 梯 形 圖 LD-Ladder Diagram 、 功 能 塊 圖FBD-Function Block Diagram、順序功能圖SFC-Sequential Function Chart。
文字化程式設計語 言包括:指令表IL-Instruction List和結構化文字ST-StructuredText。
這些語言是基於 WINDOWS 作業系統的程式語言.而 SFC 程式語言則在兩類程式語言中均可使用。
下面分別來介紹這幾種程式設計度語言。
3.1.1 梯形圖程式語言LD-Ladder Diagram 是 梯形圖來源於繼電器邏輯控制系統的描述， PLC 程式設計中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由於梯形圖類似於繼電器控制的電氣接線圖，便於理解因此許多程式設計人員和維護人員都選擇了這一程式設計方式。
而且其圖形結構類似於登高用的梯子，故名梯形圖。
梯形圖程式的左右兩側有兩垂直的電力軌線，左側的電力軌線名義上為功率流從左向右沿著水平梯級通過各個觸點、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點是右側的電力軌線。
每一個觸點代表了一個布林變數的狀態，每一個線圈代表了一個實際裝置的狀態，一個簡單的梯形圖程式如圖 1 所示: 圖 3.1 梯形圖程式示例 梯形圖的每個梯級表示一個因果關係事件發生的條件表示在梯形的左面事件發生的結果表示在梯級的右面。
梯形圖程式語言具有如下特點: 71 與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性2 與原有繼電器邏輯控制技術相一致，易於掌握和學習3 對於複雜控制系統描述仍不夠清晰4 可讀性仍不夠好。
幾乎所有 PLC 廠商提供的 PLC 都支援梯形圖程式語言而且都比較容易理解，只是在梯形圖結構上可能稍有變化。
比如西門子的 S7 系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。
有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。
3.1.2 功能塊圖程式語言FBD-Function Block Diagram 功能塊圖程式語言採用功能模組表示所具有的功能，不同的功能模組具有不同的功能。
功能模組用矩形來表示，每一個功能模組的左側有不少於一個的輸入端，右側有不少於一個的輸出端。
功能模組的型別名稱通常寫在塊內，其輸入輸出名稱寫在塊內的輸入輸出點對應的地方。
功能模組基本上分為兩類:基本功能模組和特殊功能模組。
基本功能模組如 AND，ORXOR 等等.特殊功能模組如 ON 延時，脈衝輸出，計數器等等。
功能塊程式語言具有以下特點:1 以功能模組為單位從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易2 功能模組用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態，易操作。
是有發展前途的一種程式語言3 對較複雜系統，由於控制功能關係能夠比較清晰的描述，因此縮短了程式設計和除錯時間4 因為每一個功能模組要佔用一定程式儲存空間，對功能塊的執行需要一定的執行時間，因此，這種語言在大中型可程式控制器和分散控制系統中應用較廣泛。
8 第四章 PLC 控制機械手的系統設計4.1 各電器裝置的控制方式及控制要求1、機械手的技能和特性 根據古典力學觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個座標和繞三軸旋轉的角度來決定的。
因此，抓握物體的位置和方向（即關節間的角度）能從理論上求得。
據資料介紹，如果採用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一 。
這樣就需要安裝 27 根重量輕、小型和高輸出力的個自由度至少要有一根“人造肌肉”“人造肌肉”。
就目前的技術狀況而言，上述功能還很難辦到。
而且把機械手的功能搞得那麼複雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。
退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那麼它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉運動，總共就要有 24 個自由度。
這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結構複雜，費用增多。
因此，不應盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應根據實際需要的動作，設計出最少的自由度就能完成作業所要求的'動作。
所以一般專用的機械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。
而通用機械手一般取四到五個自由度。
本設計中設計的機械手，它共有五個自由度。
即：手臂伸縮、手臂上下襬動、手臂左右擺動、手腕迴轉、手指抓握。
2.軀幹和傳動系統 機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設計採用綜合傳動方式，即手臂採用電氣傳動，而手爪則採用氣壓傳動。
1、夾緊機構 機械手手爪使用來抓取工件的部件。
手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。
設計製造夾緊機構――手爪時，首先要從機械手的座標形式、執行速度和加速度的情況來考慮。
其加緊力的大小則根據夾持物體的重量、慣性和衝擊力的大小來計算。
同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手的應用範圍，還需備有多種抓取機構，以根據需要來更換手爪。
為防止損壞被夾的物體，夾緊力應限制一定的範圍內，並鑲有軟質墊片、彈性襯墊或自動定心結構。
為防止突然停電被抓物體落下，還可以有自鎖結構。
夾緊機構本身則應結構簡單、體積小、重量輕、動作 9靈活和動作可靠。
夾緊機構形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。
有的夾緊機構還帶有感測裝置和攜帶工具進行操作的裝置。
本設計採用機械式的夾緊機構。
機械式夾緊機構是最基本的一種，應用廣泛，種類繁多。
如按手指運動的方式和模仿人手的動作，可分為迴轉型、直進型；按夾持方式可分為內撐式、外撐式和自鎖式；按手指數目可分為二指式、三指式、四指式；按動力來源可分為彈簧式、氣動式、液壓式等。
本設計採用二指式氣動手爪。
由可程式控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張閉。
手爪的迴轉則用一個直流電動機完成，同時通過兩個限位磁頭完成迴轉角度的限位，一般可設定在 180 度。
2 軀幹 軀幹由底盤和手臂兩大部分組成。
底盤是支撐機械手全部重量並能帶動手臂旋轉的機構。
底盤採用一個直流電動機驅動，底盤旋轉時帶動一個旋轉碼盤旋轉，機械手每旋轉 3 度發出一個脈衝，由感測器檢測並送入可程式控制器，從而計算底盤旋轉的角度。
同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉角度可達 270 度。
手臂是機械手的主要部分，它是支撐手爪、工件並使它們運動的機構。
本設計中手臂由橫軸和豎軸組成，可完成伸縮、升降的運動。
手臂採用步進電動機帶動絲槓、螺母來實現伸縮和升降運動。
由可程式控制器發出脈衝訊號，經步進電動機驅動器驅動步進電動機旋轉，帶動滾珠絲槓旋轉，完成手臂的運動。
改變發出脈衝的個數，可控制手臂的兩個軸運動的距離。
同時在兩軸的兩端分別加限位開關限位。
採用絲槓、螺母結構傳動的特點是易於自鎖，位置精度較高，傳動效率較高。
4.2 電器元件、裝置的選擇1、PLC 機型的選擇 根據被控物件對 PLC 控制系統的功能要求，可進行 PLC 型號的選定。
進行 PLC 選型時，基本原則是滿足控制系統的功能需要，同時要兼顧維修、備件的通用性。
對開關量控制的系統，當控制速度要求不高時，一般的 PLC 都可以滿足要求，如對小型泵的順序控制、單臺機械的自動控制等。
當控制速度要求較高、輸出有高速脈衝訊號等情況時，要考慮輸入/輸出點的形式，最好採用電晶體形式輸出。
對帶有部分模擬量控制的ｗ裝置等。
102、輸入/輸出的點數： I/O 點數可以衡量 PLC 規模的大小。
準確統計被控物件的輸入訊號和輸出訊號的總點數並考慮今後系統的調整和擴充，在實際統計 I/O 點數基礎上，一般應加上 10-20的備用點數。
多數小型 PLC 為整體式，具有體積小、價格便宜等優點，適於工藝過程比較穩定，控制要求比較簡單的系統。
模組式結構的 PLC 採用主機模組與輸入模組、功能模式塊組合使用的方法，比整體式方便靈活，維修更換模組、判斷與處理故障快速方便，適用於工藝變化較多、控制要求複雜的系統。
此外，還應考慮使用者儲存器的容量、PLC 的處理速度是否能滿足實時控制的要求、程式設計器與外圍裝置的選擇等。
本裝置控制的物件是一個開關量控制的系統，同時利用脈衝控制步進店動機的運轉，故應採用電晶體形式的輸出。
松下 FPO 系列小型 PLC 具有價效比高、功能完善、指令豐富等優點，能滿足本物件各項控制性能要求，因此，本系統採用松下 FPO 系列的 FPO――C16T 作為基本模組，能輸出兩路脈衝訊號進行步進電動機的控制。
由於輸入輸出點不夠，擴充套件一個 FPO――E16RS 模組。
3、電源模組的選擇： 採用 Dm150 系列開關電源。
其特點是輸出功率大，體積小，重量輕，可靠性高，適應寬範圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護功能。
主要引數： 輸入交流電壓：110220V/50Hz、60Hz 輸出直流電壓：24V/6.5A 最大功率：156W 工作環境：-1040 度 114、步進電動機的選擇： 採用二相八拍混合式步進電動機，主要特點：體積小，具有較高的起動和執行頻率，有定位轉矩等特點。
型號：42BYGH101。
快接線插頭中的紅色表示 A 相，藍色表示 B 相。
使用時如果發現步進電動機轉向不對時可以將 A 相或 B 相兩根線對調。
（1）.步進電動機驅動模組 採用中美合資 SH 系列步進電動機驅動器，主要由電源輸入部分、訊號輸入部分、 輸出部分等。
如下圖所示。
驅動模組 電源輸入部分由電源模組提供，用兩根導線連線，注意極性。
訊號輸入部分：訊號源由 FPO 主機提供。
由於 FPO 提供的電平為 24V，而輸入部分的電平為 5V，中間加了保護電路。
輸出部分：與步進電動機連線，注意相序。
（2）.感測器 12 採用接近開關作為手爪旋轉.