摘要
在自动化程度越来越高的今天，机械臂成为了工业生产中最普遍使用的一种装置。机器手在各个产业的工作车间中都有应用，主要用于材料的分类和装卸。机器手可以按照控制的命令进行操作，将所需的材料从一个地方运到另一个地方，并且可以与其它的控制系统相互协作，完成相应的操作。在此基础上，通过对机械臂的加工过程进行了详细的理论和实验研究，并根据加工过程的需要，提出了相应的加工过程。
在该系统的开发中，我们把所要研究的目标设定为一个操作员的控制作业流。在本课题的研究阶段，首先明确了生产所需的流程；第二步骤是确定机器手在实现自动化控制时所要采用的工序及其相应的工序要求；在此基础上，选择了三菱FX2N系列可编程控制器，并通过仿真得到了该控制器所需的输入输出数目。在软件和硬件的设计中，以机械手工艺和控制为主体，首先对机械手的动作进行了流程的制定，然后对硬件的图纸和工艺的流程图进行了设计和分析。最终，从实际的工艺条件出发，对软件进行了相应的设定，并对其进行了测试，确保该系统能够独立地执行人类所指定的指令，使得整个系统的设计既清楚明确，又具有很好的可操作性。系统按照已有的工艺路线及技术要求，工作平稳、可靠。
关键词：PLC;机械手；系统设计
ABSTRACT
With the higher degree of automation, the mechanical arm has become the most commonly used device in industrial production. Robots are used in the workshops of various industries, mainly used for material classification and loading and unloading. The robot can operate according to the control command, transport the required materials from one place to another place, and can cooperate with other control systems to complete the corresponding operations. On this basis, the detailed theoretical and experimental study of the mechanical arm machining process is conducted, and the corresponding processing process is proposed according to the needs of the machining process.
In the development of this system, we set the goal to study as an operator’s control operation flow. In the research stage of this topic, the process required for production is defined; the second step is to determine the process adopted by the robot in realizing automatic control and the corresponding process requirements; on this basis, the Mitsubishi FX 2 N series programmable controller is selected, and the input and output number of the controller is obtained through simulation. In the design of software and hardware, with mechanical handicraft and control as the main body, the process of the manipulator is formulated, and then the hardware drawings and the flow chart of the process are designed and analyzed. Finally, starting from the actual process conditions, the software is set accordingly and tested to ensure that the system can independently execute the instructions specified by humans, so that the design of the whole system is clear and clear, and has good operability. The system works smoothly and reliably in accordance with the existing process route and technical requirements.
KEY WORDS：Apple; picking; sorting; structure design
1 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
现在，很多部门都会用到机器手，机器手的工作就是搬运原材料。尤其是在大型工业企业中，更是如此，机械臂已经成为了整个过程的关键部件。机器手的工作流程和工作是由有关部门事先制定好的，具有很高的标准化、实时性，以达到预定目标。它的整个操作的流程是在不断地进行着，比较单调，这样就可以完全地释放出人力，并且极大地提升了生产的效率。
控制装置用来完成对生产过程中各个环节的自动化。市面上最常用的两种控制单元，一种是单片机，一种是可编程控制器。它具有很强的通用性，可以实现对各种系统的控制，并能够满足特定的技术指标。然而，对于可编程控制器来说，其控制单元的应用范围主要集中在工业的现场生产上，能够起到很好的隔绝外部的干扰，并且整体运行的过程非常稳定。PLC的功能更加完善.该系统能够在较短的时间内完成实时记录，并且能够在较短的时间内完成对现场的实时监控。基于这种情况，本文选择了操作手作为特定的研究对象，在进行设计的同时，对所学的理论进行了全面的回顾，特别是深化了对电气控制和可编程控制器的认识。在此过程中，作者通过对现场调研，掌握了目前我国汽车电子监控系统的发展状况，为以后从事汽车电子监控系统的工作打下了坚实的基础。
1.2 机械手的主要设计内容
其中，控制部分以可编程序控制器为主。机器手的运动命令均受 PLC的运动控制，并通过限制开关检查相应的运动，完成下一次运动命令的输出。
1.3 系统设计的思路
在此基础上，对操作臂进行了系统的规划与设计。第一阶段是对该装置所需的技术参数进行分析，并对其软硬件进行了详细的规划，最终完成了整体装置的模拟与调试。
(1)有关人员在进行过程分析时，把机械臂的过程作为一个重要环节，把机械臂作为特定的控制目标，对整体方案进行科学、理性的调节、改善，并对各种操作进行了相应的控制。
(2)有关人员也要根据相应的设计需求进行硬件的设计，对硬件的电路进行规划，在弄清楚电路的工作原理后，进行线路的布线工作。
(3)在整个程序的开发中，第一个要做的就是 I/O配置， I/O配置的设计与以后的调试、系统的稳定性有着很大的关系。在对设计的流程图进行了剖析以后，要明确动作的要领，对动作进行标准化，进而对程序的设计进行改进，保证程序的各项功能都可以正常运转。
(4)在进行了系统的调试以后，整个系统的设计也就基本完成了，可以对整个系统进行检查，确保其设计与修改都在可控的安全可控的范畴内，在模拟调试中要注意细节，确保产品的品质。
(5)在设计结束后，要对整个设计进行归纳，找出缺点，归纳出长处，为以后的系统更新提供一些理论基础。
2 机械手控制系统的总体设计
2.1 机械手的控制工艺分析
本装置采用气动式操作臂，采用电磁阀门完成全部操作，采用相关技术；利用气动操纵器，将原本位于 A处的物品，移至指定的 B处，具体内容为：
在确定操作臂的组成成分以前，对其进行了分析。首先，我们要弄清楚机器手手臂的组成。机器手在完成运动命令时，既能进行向上、向下、向左、向右、向右运动，又能对目标进行夹紧、松开。通过对原理图的深入剖析，将机械臂的运动划分为材料输送和回收两个阶段。机器手在输送材料时，首先要完成一个升降命令，这个命令是通过一个螺线管来实现的。当机器手落在特定的位置时，下极限的按钮被触发，机器手落下的过程就完成了。再由机器手进行抓握的命令，并带动抓握电磁阀，在抓握位置上，抓握极限开关接触操作，这时，抓握动作结束。当机器手手臂抬起时，电磁阀也会起到推动作用，机器手手臂达到规定的位置后，通过上限制开关来实现触摸的作用，使机器手手臂停下。接着，机械手将会发出向右运动的命令，并启动右运动的螺线管。机械手将经由右侧极限开关进行触点，在右侧运动完毕后，机械手将持续完成下行命令，并由螺线管进行传动；当降落到设定的高度时，机械臂将按下极限开关，以达到阻止降落的目的。然后，机械臂按照命令，进行了一系列的动作，这才放下心来。然后打开电磁阀，等到压力降到一定程度，再按下极限按钮，表示压力降下来。这时候，机械臂输送材料的那一段，已经结束。
在将机械臂的回归动作拆分后，对其进行了详细的动作分析，机械臂首先进行了上升的动作，电磁阀门进行了驱动，到达了规定的位置后，通过上限位开关进行了接触，使其停止了上升。接着，机器手会进行向左移动的动作命令，并对左移电磁阀进行驱动，在左移就位后，通过左限位开关来进行触摸的动作，从而使机器手不再向左运动，在向左运动的动作命令执行完毕后，机器手就会返回原位。当这一秒钟过去了，机器手的整个动作也就完成了。
2.2 机械手的控制策略
有关人士对机器手手臂的有关原理及设计理念进行了详细的研究，保证机器手手臂的每个动作都具有触发机理，并通过限位开关进行操作。其功能是将输入的信息传送到控制器，使机器手能够进行运动。所以，在机器手的结构设计中，必须对其输入、输出部件的操作极限进行适当的设定。
根据生产过程的需求，本文提出了三种控制模式：单步控制模式、周期控制模式和连续控制模式。以下描述了各控制方法：
(1)以单级控制为基本前提，在切换各种动作时使用起动键完成。操作的转换必须遵循操作的过程。在检查、维护等方面，采用的是单级控制。
(2)在进行循环控制的情况下，机器手在按下开始键后，将会在执行一个循环的循环后，自动地停下来。
(3)在持续控制模式下，当机器手按下开始键后，机器手将继续运转，并反复进行机器手的循环，直至这个循环结束时，机器手按下了停止键。
三种控制方法各不相同，编程方法也各不相同，经过对三种控制方法的分析，均要求通过限位开关来进行动作间的转换，在按下该按钮后一定的时间内，系统就可以处理指令，启动动作，停止动作，以及完成动作之间的衔接。
2.3 可编程控制器的选型
其中，可编程控制器也包含在其中。对于这种类型的软件，应该明确配置的方法和所需的流程，使现场的工艺可以被有效地控制，使信息和数据可以在现场进行交流和互动，从而达到满足使用者的要求。PLC具有优良的性能和较高的可靠性，能够得到精确的测量结果。并且显示出显著的伸缩性。
其中，可编程控制器也包含在其中。对于这种类型的软件，应该保证配置设计的方法和所需的流程，保证可以对现场的工艺进行有效的控制，使信息和数据可以在现场进行交流和互动；确保客户的需要被满足。PLC具有优良的性能和较高的可靠性，能够得到精确的测量结果。
2.3.1可编程控制器的计算
在决定可编程控制器的尺寸与规格时，首先要考虑的是主要的参数，其中包括了 I/O的计算与存储。自21世纪以来，可编程序控制器不断升级。当前，市面上存在着一种系列可编程控制器和一种模块化可编程控制器，因此，要使可编程控制器与整个系统的结构相适应，同时又要使其具有较好的性能。我们先估算出所需要的 I/0数量，再结合后续的系统更新、模组更新等现实情况，最终选定了可程控单元，重点在于其性能价格比。
根据本系统的具体设计要求，对其功能和控制方法进行了详细的研究，其中，输入端有12个，输出端有10个；为了以后的系统更新，我们还需要保留20%的数据。
（1）I/O点数的计算
由可程控器产生的来自外界的讯号，可完成对其的接收与处理。该信号由一个外输入输出完成关联运算。输出与输入的数据总和互相累计，即为 I/O点数，在决定点数时，还要考虑到剩余值的影响，为以后的调试与升级打下基础如果有一个输入输出点被破坏了，那么这个被破坏的部分就会被一个余量点所取代。I/O点数的估计表达式为：
本系统中需要的I/O点数数目为26。
（2）存储器容量的计算
一般而言，内存的大小，大概是15个单位的输入量和输出量。若同时考虑到输入、输出量，则其处理能力约为模拟值的100倍。而且，在计算成果的时候，也要考虑到后续的影响。也被称为“裕度”。裕度通常是整个系统的25%，这样，内存的能力按如下方式计算：
本系统的存储器容量大约为390B。
（3）PLC电源的选择利用
为了保证程序控制器的工作性能，需要将其与供电相连接。目前市面上的供电方式以 AC220V、 DC24V为主流。在综合考虑了各种实际情况和费用后，最终选择了 AC220V的供电方式。
2.3.2可编程控制器的选型
FX2N系列可编程控制器不但工作稳定，含有大量的命令，还能够进行设计和编辑，还具备很强的通讯能力，能够与上位机进行通讯，拥有很多的扩展模块，最多能够与7个扩展功能模块相连。FX2N可编程序控制器的模型非常丰富.该装置使用的机型为FX2N-32 MR。该系统根据具体的要求和情况，综合考虑各种因素的影响和 I/O点的统计，采用通用的FX2N-32MR型号的可编程控制器，进行了软件和硬件的开发。该控制器具有良好的性能和较强的实用性，既可以完成对数据的计算，又可以完成对基本逻辑的控制。
2.4 限位开关的选型
在探测到控制器的位置时，全部探测工作都是通过一个限制开关来实现。下面这幅图示了一个用于输出和探测部分的电路。不管是程序的操作，或是对整体设备的防护，这些都由一个限位开关来完成。所以，在设计极限开关时，既要注意它的机构，又要注意它的特殊安装型式。若再精巧一些，则受限于空间大小，多应用于机器内部。另外，外面通常都会包含一些能够增强其耐腐蚀性的金属物质，同时对里面的线路起到了一定的保护作用。该装置采用正泰电气公司制造的YBLX-K1/411型极限开关作为
2.5 按钮的选型
而不同的控制方法，往往也会不同，其中最常见的就是按钮和按钮。按下按键时，接触器的常开点变为常闭点，常闭点变为常开点，而按键放松时则变为常开点；打开的位置变为正常位置，关闭的位置变为正常位置。按下按钮后，接触器的工作状态也发生了改变，由正常打开变为正常关闭，并在此过程中保持不变。由于本系统对于硬件模型等有具体的需求，故本文将根据本系统所需；所选用的按键为NP2-BD33、NP2-BA31，其物理结构图为：
2.6 系统的总体方案分析
在本设计中介绍了一种可编程控制器，型号为FX2N-32MR，它是一种适用于本文所设计的系统的控制器。该控制器有32个I/O接口，而且本设计所使用的其他硬件型号也能够满足系统的要求。在本设计中，系统所需的限位开关、急停信号、外部启停信号按钮和方式选择信号旋钮的型号分别为YBLX-K1/411、NP2-BD33和NP2-BA31。这些硬件元件的选择很重要，它们必须匹配系统的要求，以确保系统的可靠性和安全性。本系统采用序列控制的方法，对单步方式、周期方式和连续方式进行了分段的编程。这样可以实现对螺线管的控制。通过控制系统的控制状态和控制模式选择，可以实现对螺线管的控制。本节介绍了一种可编程控制器，它是一种适用于本文所设计的系统的控制器。通过控制系统的控制状态和控制模式选择，实现了对螺线管的控制。这个系统的设计和实现，将有助于提高工业自动化水平和生产效率。
3 机械手控制系统的硬件设计
3.1可编程控制器的接线图设计
机械手的画图是由可编程控制器作为主要部件来完成的，其线路由输入、输出线路和供电线路三部分组成。在完成机械臂的整个设计过程中，论文提出了一套机械臂的控制方法，并对整个设计过程作了详尽的计划；该方案和策略显示，在该系统中，每个系统都需要12个功能信号和10个执行信号。在该系统中，除输入输出设计之外，该系统中所选择的供电电压是标准的通用电压220 V。以下是这一计划的特定电子图表。
图3-1 可编程控制器的接线图
FX2N是供电终端，一般情况下，此系列的 N、 L电极都是与 AC供电的 N、 L电极相连的。X输入部的公用端是 COM，供电的 N极是 COM, L极是在输入部中所要用到的电气部件上，而电气部件的另外一端是在可编程控制器的输入端上。按键的作用是控制输入的指示，当按键时，指示灯会变亮，指示灯会打开。Y型的输出器的共用端子同样为 COM，该端子与功率的 N极相连接。
3.2系统的控制面板设计
在本系统的设计中，以输入部分的按钮为基础，以输出部分的描述为基础，对急停按钮、启动按钮、停止按钮进行了面板设计，对控制方式的选择旋钮进行了面板设计，对多种运行输出也进行了面板设计。从钥匙和指标的尺寸来看，这个孔的尺寸为22 mm。以下是板材的具体分布情况。
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