毕业设计论文PLC机械手设计

1、机械手plc控制设计题目：机械手的plc控制机械手及其应用总体方案选择驱动系统方案选择控制方式选择驱动系统设计plc控制系统设计参考文献及设计心得设计：魏超指导：王富春班级：09机电一班时间：2011.82011.9 一、 设计题目1、任务：机械手抓取工件，提高300 mm，右转180度，伸出300mm放下工件，左转180度，回到原位置，然后循环做上述动作。2、工件尺寸：40mm×40mm×40mm 工件重量：0.5kg工作空间：8000mm×800mm×800mm3、动力源： 220v  5a 24v 气压源4、控制：plc，电磁阀，光电传感

2、器 图.1二、机械手及其应用 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。机械手的特点：（1） 对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2） 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来

3、，并能扩大和延伸人的功能。（3） 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4） 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。因此采用机械手最明显的特点是提高劳动生产率和降低成本。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

4、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。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。三、总体方案要执行的详细的动作为：（1）定位 （2）下降 

5、;（3）夹紧 （4）上升 （5）右转180°   （6）下降 （7）松开 （8）上升 （9）左转180° （10） 原点，完成一个工作循环。 本机械手用于生产线上工件的自动搬运，其结构如上图所示。由1、2两个气缸缸完成工件的加紧和提升的动作。1号气缸通过一个单线圈的二位电磁阀控制工件的夹紧、放松，2号气缸通过一个双线圈的二位电磁阀控制工件的上升、下降，由底盘电动机带动底盘旋转。当工件在传送带a上运行时，并且到传送带a的端部的时候，光电开关检测到有物体存在的时候，传送带a停止,2气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关sq3，1气缸的

6、驱使手爪夹紧工件，延时2秒后。 2气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带动底盘旋转。当底盘步进电机旋转180°后，其到达b传送带的上方时，3气缸活塞伸出，带动横轴前伸，同时2气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关sq3，1气缸的驱使手爪放松工件，延时2秒 后。2气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带动底盘旋转。当底盘步进电机旋转180°后，其到达a传送带的上方时 一次的搬运过程就完成。原点下降夹紧上升右移下降松开上升左移图.2四、驱动系统方案选择一般情况下机器人驱动系统的选择大致按照如下原则进行选择

7、：1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人，重负载用液压驱动，中等载荷可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系统。2）用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统，需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足要求。按照动力源分为液压、气压和电动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。液压驱动 液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。气压驱动 具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点，适用于中小负载的系统中。难于

8、实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，在上下料和冲压机械手中应用较多。电动驱动 随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统被大量选用。目前广泛采用的驱动系统的比较如下表：特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于小型，快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控制困难。阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音结构体积较大，结构易于标准化。易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境种工作，维护方便效率低，（为0.150.2）气源方便，结构简单，成本低液压驱动油压高，可

9、获得较大的输出功率，适用于重型，低速驱动器液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.30.6，管路结构较复杂，成本高交直流普通电动机适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动 输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些适用于运动控制要求严格的中

10、、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右表.1综合考虑以上驱动系统的优缺点以及工作要求，选择气动驱动跟步进电机系统混合作为驱动方式。气动机械手装置如图1所示，主要由机械手抓紧放松夹紧装置、上下气动移行装置、底座及各电气、气动元件和传感器等组成。工作过程如下,从图1 所示的原始位置开始,升降气缸1向下移动气动夹紧机构3 并夹紧a 处之物料块,然后向上移动。到位后,气动夹紧机构连同升降气缸向右移动,升降气缸2 向下移动气缸,最后夹紧机构3 放松即将物料块放到b处,然后沿相反方向使机械手处于原始位置。为下一

11、个工作周期准备,以实现循环。此装置能够实现物料在一个平面内的搬运。上下移动气缸2 行程为710mm ,为了防止工件偏移,上下移动气缸2 的缸体上各安装了两个磁性开关用于上下极限位置的检测;在传送带a这边安装了光电感应开关用于有无工件(物料块) 检测。1） 气源压缩机的设计原理，气源装置的组成和布置示意图，如图9图3  1.空压机2.冷却器3.油水分离器4.储气罐5.干燥器6.过滤器7.储气罐8.加热器9.四通阀    气源装置一般由四部分组成，即空气压缩机；压缩空气的净化、贮存装置；管道系统和气动三大件。    在

12、 图六中，空气压缩机1是用来产生压缩空气的。空气压缩机 的吸气口装有过滤器，可以减少进入空气压缩机内的气体的灰尘。后冷却器2用来冷却空气压缩机排出的高温气体，使汽化的水和油凝结出来。油、水分离器3用来分离并排出凝结出来的水滴、油滴和杂质等。贮气罐4和7用来贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力，同时使压缩空气中的部分油分和水分沉积在贮气罐底部以便除去。干燥器5用来进一步吸收压缩空气中油分和水分，使之成为干燥空气。过滤器6用来进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质和颗粒。气动传动装置由原动机驱动空气压缩机通过管道的输送气来控制2）左右转动驱动装置的选择 底座驱动动力源选择2-e系列三相异步电动机2-e系列电

13、动机是在y2系列电机基础上派生设计的高效节能电动机，整个系列的电机效率高于普通y2系列电机效率，其外形美观，高效、节能，绝缘等级为f级，防护等级为ip54或ip55，电机噪声和振动小、运行可靠。在异步电动机的定子铁心里，嵌放着对称的三相绕组ax、by、cz。 工作原理：异步电动机三相对称定子绕组中通入三相交流电产生旋转磁场，转子导体切割定子旋转磁场而产生感应电动势及感应电流，转子载流导体在定子旋转磁场中受电磁力作用，形成电磁转矩，拖动转子沿旋转磁场方向转动起来，从而实现了电能与机械能的转换。当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋

14、转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转。 通过plc控制交流接触器，改变三相异步电动机的运动方向，从而实现机械手的左右转。 选择上海普邦传感器有限公司生产的b系列的光电开关（对射式）的光电传感器，如图4: 实物图 尺寸图图.4具体说明如表格1感应方式对射式检测

15、距离（mm）15m标准探测物r15mm以上的不透明物体响应时间3ms工作电压（v）dc12.24v允许波动10%以下消耗电流（m a）20m a负载电流（m a）200m a工作温度（°c）10到+55输出类型npn、pnp集电极开路输出表.2对射式光电开关安装原理图.5 选用42系列两相混合式步进电机型号42hs02基本参数如下表：model no.相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻引线数量转子惯量定位转矩电机重量机身长轴端长(°)n.mamhohmg.cm2g.cmkgmmmm42hs0221.80.220.42112.54571500.244021表.3步进电机型

16、号42hs02原理接线图，如图.图.5步进电机型号42hs02实物图，如图5： 图.6 plc机型的选择首先，plc的选择plc的选择主要应从plc的机型、容量、i/o模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力、厂家的选择等方面加以综合考虑。 plc机型的选择 plc机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (一)  合理的结构型式 plc主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式plc的每一个io点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式plc的功

17、能扩展灵活方便,在io点数、输入点数与输出点数的比例、io模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(二) 安装方式的选择   plc系统的安装方式分为集中式、远程io式以及多台plc联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程io硬件，系统反应快、成本低；远程io式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程io可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程io电源；多台plc联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型plc，但必须要附加通讯模块。 (三) 相应的功能要求 一般小型(低档)plc

18、具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 (四) 响应速度要求  plc是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次plc的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用plc，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑plc的响应速度，可选用具有高速io处理功能的plc，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的plc等。终上所述，结合本课题的实际情况。由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对plc进行监控和管理，故选用西门子s7-3006es7 312-1ae13-0ab0 cp

19、u312电源 cpu312 6es7 321-1bh02-0aa0 输入模块（16点，24vdc）输入模块，6es7 321-1ff01-0aa0 输入模块（8点，120/230vac）输出模块的plc.图.7五、控制方式选择5.1.1功能按钮概述 机械手的全部动作由气缸驱动,而气缸又由相应的电磁阀控制。其中,上升/ 下降、左移/ 右移分别由两位电磁阀控制，夹紧由单位电磁阀控制，放松就由弹簧控制。当下降电磁阀通电时,机械手下降;当下降电磁阀断电时,机械手下降停止。当上升电磁阀通电时,机械手上升;当上升电磁阀断电时,机械手上升停止。同样,左移/ 右移分别由左移电磁阀

20、和右移电磁阀控制。同样，机械手放松和抓紧分别由放松电磁阀和抓紧电磁阀控制。为确保机械手的安全，必须在夹紧时延时2s钟，保证机械手能顺利抓紧物品和在放松时延时2s钟，保证机械手能顺利把物品放下。机械手的动作过程如图2 所示: (1) 从原点开始下降; (2) 吸引工件,延时2 秒; (3) 上升; (4) 右移; (5) 下降; (6) 放下工件,延时2 秒; (7) 上升; (8)左移,返回原点，电路控制通过plc实现。系统输入信号有1个启动按钮，4个限位开关，1个工件检测信号，及一个停止，一个下降、夹紧、上升、缩回、伸出、放松共13个数字输入信号，输出信号有机械手上升/下降驱动信号、左移/右

21、移驱动信号和机械手夹紧/放松驱动信号，共有6个数字输出信号。机械手传送系统输入和输出点分配表如下表3：名称代号输入名称代号输出启动sb1i0.0下降cy1q0.0下限行程sq3i0.1夹紧cy2q0.1上限行程sq4i0.2上升cy3q0.2缩回行程sq2i0.3缩回cy4q0.3伸出行程sq1i0.4伸出cy5q0.4工件检测sq5i0.5放松cy6q0.5停止sb2i0.6下降sb3i1.3夹紧sb4i1.7上升sb5i1.4缩回sb6 i1.5伸出sb7i1.6放松sb8i2.0.表.4图.85.2.1 控制程序设计该机械手控制程序较复杂，运用模块化设计思想，采用“化整为零”的方法，将机

22、械手控制程分为：公用程序、手动程序和自动程序，分别编出这些程序段后，再“积零为整”，用条件跳转指令进行选择，该控制程序运行效率高，可读性好。 1) 手动程序手动程序分为点动控制和单步控制两部分，手动操作不需要按工序顺序动作，按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图所示。手动按钮i1.3、i1.4、i0.2(i1.5、i1.6)、i1.7、i2.0分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松和回原点各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了i0.2作为上限连锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动，由于夹紧、放松、动作是用二位五通电磁换向阀的

23、cy3-1电磁线圈控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能。以下是手动操作程序梯形图，如图11：图.92) 自动程序由于自动操作的动作较复杂，采用顺序功能图设计法设计程序，根据顺序功能图可以方便的转换为梯形图程序，其顺序功能图12所示：图.10设计小结系统总结：可编程控制器plc以其丰富的i/o接口模块、高性能性，在机械手控制系统的设计中起到了十分重要的作用，但是在plc控制的过程中，还有许多问题需要解决，本文就机械手自动控制系统的过程中的硬件的选择与设计以及软件的编程中的几项关键问题提出了自己的一些看法，经实践证明，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对plc读、写，事件响应等通信时间可进行精确控制，取到了良好的效果。在系统设计过程中，我遇到了很多设计方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我查阅了大量书籍，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中收获了很多。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不是一蹴而就的，都是要付出很艰辛的努力。个人小结通过毕业设计，我又