气动机械手的PLC控制系统的设计

1、XXXXXXX目录摘要 第一章 机械手的简介.411 概述.412 机械手的组成.413 机械手的应用.414 机械手应用.4第二章 机械手机械设计.51 机械手总体结构设计.52 机械手的工作原理.63 机构模块化设计.74 手部结构设计.8第三章 机械手机械控制设计.101 工作过程与控制要求.102 气动驱动设计的简述. 113 PLC控制系统设计.12结束语.20谢辞 参考文献.222 摘要:为自动化不可缺少的重要手段。进入90 年代后，气动技术更突破传统死区，经历着飞跃性进展。再者，冲压自动化是解决冲压生产成本及安全问题、提高冲压生产企业效益的必然选择，而冲压机械手是冲压自动化的重要

2、组成部分。但是，目前冲压机械手高昂的价格却使国内众多的中小冲压企业望而却步。PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLCPLC本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。关键词：意义，应用，原理，plc，机械手，气动控制技术3第一章 机械手的简介11 概述机械手首先是由美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司

3、研制出了第一台机械手。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，并用以按固定程序抓取、搬运。它可替代人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。12 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具） 的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，成为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需要 8 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自

4、由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般机械手有 2 到 3 个自由度。13 机械手的应用机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。14 机械手应用机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。另外，机械手在锻造工业中的应用不仅能进一步发展锻造设备的生产能力，而且能改善热、累等劳

5、动条件。4第二章 机械手机械设计图 2-1-1 机械手气动系统图机械手的机械系统由执行机构和驱动系统组成。本设计项目中机械手的操作对象为小型工件，所需要的驱动力较小，同时冲压模具可以实现工件的自对正，为简化结构和降低成本，机械手各自由度均采用气动驱动。驱动部分有回转气缸、升降气缸和开合气缸。522 机械手的工作原理本机械手采用气动驱动，使用的压力为 06MPa。气动驱动的主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用、结构简单、成本低、维修方便。本机械手具有一个旋转运动自由度，两个直线运动自由度和一个开合运动，用于将工件从源工作台搬运到目标工作台上，两个工作台高度不同，所在位置和机械手基座位置三点组

6、成的位置组成一定角度，而且两个工作台与机械手基座的距离也不相同。机械手的全部运动由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能够实现正转/反转、上升/下降、伸出/缩回、夹紧/放松功能。其回转自由度是通过普通气缸经过齿轮/齿条传动将直线运动转换为回转运动实现的，由气缸、齿轮/齿条、齿条导轨和回转运动磁性限位开关配合完成，回转工作行程为 0180气缸行程为 0125mm)；升降自由度和伸缩自由度直接由普通气缸实现，皆由气缸、气缸运动导轨和磁性限位开关配合完成，其工作行程皆为 0200mm；开合运动由开合气缸实现，工作行程为 030mm，由于气缸行程较小，无法安装磁性限位开关，所以其开合运动的限

7、位由气缸端盖实现，即开合气缸满行程工作。将机械手的原点原始状态及放松状态。机械手为实现移料动作，需要以下几个动作：(1) 竖直下降 机械手升降气缸活塞缩回，气缸下行至下降限位，使手部夹持机构手爪到达与源工作台上的工件水平的位置。(2) 夹紧 机械手开合气缸活塞伸出，手爪夹紧工件。(3) 竖直上升 机械手升降气缸活塞伸出，气缸上行至上升限位，将工件提起，同时使手爪及其所夹紧的工件到达稍微超越目标工作台上平面的位置。(4) 正向回转 机械手回转气缸活塞伸出，机械手正转至正转限位。(5) 手臂伸长 机械手伸缩气缸活塞伸出至伸出限位，使手爪及其所夹紧的工件到达目标工作台的正上方。(6) 放松 机械手开

8、合气缸活塞缩回，手爪放松工件。(7) 手臂缩短 机械手伸缩气缸活塞缩回至缩回限位。(8) 反向回转 机械手回转气缸活塞缩回，机械手反转至反转限位。以上是机械手移料动作，完成之后，目标工作台所在冲床进入冲压过程。至6此，机械手的一个完整动作循环就完成了。图 2-2-2 所示为冲压机械手的工作流程图。图 2-2-1 机械手工作流程图23 机构模块化设计近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业被迫走上了多品种，中小批量的生产方式。因此，传统的设计思想和制造方式已无法适应现代化社会多样化、快节奏的要求。为适应这一转变，各种新思想、新方法，例如成组技术、计算机辅助技术等应运而生，

9、模块化思想也是其中之一。模块化是用来描述公共单元的使用以便实现产品的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能的变化。模块化设计的理论基础最初来自于 Suh 的独立性公理：在好的设计中保持功能要求的独立性。因此在可能的情况下，产品完成的每一个功能都应独立于产品完成的所有其它功能，这个公理就要求寻找物理结构独立性与功能独立性之间的统一。在模块化设计的早期主要根据两个产品设计特征来定义模块性：一是在物理结构与功能结构之间的相似性；二是极小化物理元件之间附加的相互作用。即模块化产品或部件从功能结构中的功能元件向产品的物理元件有一对一的映射关系。要建立模块库，首先要将产品划

10、分成若干模块，划分的一般原则为：(1) 尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合7时产生混乱；(2) 以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要；(3) 划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性；(4) 要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离；(5) 要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响；(6) 模块单元的划分必须考虑经济因素等。模块式机械手是将一些通用部件，根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以基座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。通过模块选择与组合以构成一定范围内的不同功能或

11、同功能不同性能、不同规格的系列产品。并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。气动通用机械手按其功能分析可分为基座、立柱、手臂、手腕、手部模块。其中手臂模块和手部模块是该机械手的基本模块，并可以细分为不同功能的局部模块。立柱模块和手腕模块为可选模块，如机械手需要手臂的升降功能则可省略立柱模块。各部分连接件和关节具备一定的互换性和继承性，夹持式和吸附式手部模块可以根据需要互换，根据各种实际情况需要还可以增加或减少功能模块。24 手部结构设计手部就是与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附

12、式手部。当被夹持工件是圆柱形状时，一般使用夹持式手部；当被夹持工件是板料时，一般使用气流负压式吸盘。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手爪是与物件直接接触的构件，常用的手爪运动形式有回转型和平移型。回转型手爪结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型手爪应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手爪夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手爪结构取决于被抓取物件的表面形状被抓部位 (是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手爪有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手爪产生夹紧力来完

13、成夹放物件的任务。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮8931 工作过程与控制要求工作过程控制要求10单周期工作方式按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止；机械手的气动驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，主要实现机械手垂直升降、水平左右旋转和手爪的夹紧动作。气动原理如图 3-2所示。图 3-2-1 气动系统工作原理图垂直升降、水平左右旋转运动部分电磁阀 2 的电磁线圈 CY2-1 通电，压缩空气经电磁换向阀 2 和节流阀 5 进入垂直升降气缸 8 下缸体，机械手上升，气缸8 伸出到 ST2 位置，机械手上升停止，电磁阀 2 的电磁线圈 C

14、Y2-0 通电，压缩空气进入气缸 8 上缸体，则机械手下降，气缸 8 缩回到 ST1 位置，机械手下降停止；电磁阀 1 的电磁线圈 CY1-1 通电，压缩空气经电磁换向阀 1 和节流阀 4 进入水平左右移动气缸 9 右缸体，机械手左旋，气缸 9 缩回到 ST4 位置，机械手左旋停止，电磁阀 1 的电磁线圈 CY1-0 通电，压缩空气进入气缸 9 左缸体，则机械手右旋，气缸 9 伸出到 ST3 位置，机械手右旋停止。夹紧、松开运动部分机械手下降到左工作台后，电磁换向阀 3 的电磁线圈 CY3-1 通电，压缩空气经电磁换向阀 3 和节流阀 6 进入夹紧气缸 7 下缸体，机械手夹紧物体。当机械手按控

15、制要求运动右工作台后，电磁换向阀 3 的电磁线圈 CY3-1 断电，压缩空气经进入夹紧气缸 7 上缸体，夹紧气缸 7 松开物体。33PLC控制系统设计1) PLC的选择和 I/O地址分配：表 3-1-1 PLC输入点及输出点的分配表X1X2X3X4X5SB2SAX6X7SAX10X11X12X13X14X15X16SA单周期连续下降上升右移左移SASB3SB4SB5SB612SB7SB8SB9X17X20X21夹紧放松原点名Y0Y1Y2Y3Y4Y5下降电磁阀线圈夹紧电磁阀线圈上升电磁阀线圈右移电磁阀线圈左移电磁阀线圈原点指示灯HL1机械手的工作状态和操作的信息需要 18 :位置检测信号有下限、

16、上限、右限、左限位共 4 个行程开关，需要 4 检测信号采用光电开关作检测元件，需要1 手动、单步、单周期和连续 4 种工作方式，需要 4 个输入端子；手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松、回原点 7 个按钮，需要 7 个输入端子；自动工作时，尚需启动按钮、停止按钮，需占 2 个输入端子。控制机械手的输出信号需要 6 :右移、左移和夹紧 5 个电磁阀线圈，需要 5 个输出点；机械手从原点开始工作，需要有 1 个原点指示灯，需用 1 个输出点。因此需要 6 个输出端子。根据控制要求及端子数，此处选用 FX2N-48MR 继电器型 PLC。FX2N-48MRPLC 共有输入 24

17、点，输出 24 点，满足控制所需端子数，分配 PLC 的 I/O端子接线如图 3-3所示。13图 3-3-2机械手 PLC控制外部接线图控制程序设计公用程序公用程序用于处理各种工作方式都要执行的任务，以及不同的工作方式之间相互切换的处理，公用程序如图3-3-4所示。左限位开关X004、上限位开关X002的常开触点和表示机械手夹紧的 Y001M5 变为 (M5 为 ON)(M8001为、系统处于手动状态或自动回原点状态(X007 或 1 为 ON)时，初始步对应的 S0 将被置位，为进入单步、单周期和连续工作方式做好准备。如果此时 M5为 OFF 状态， S0 将被复位，初始步为不活动步，即使按

18、下启动按钮也不能进入步 S20，系统不能在单步、单周期和连续工作方式下工作。手动程序15图 3-3-5 手动操作程序图图 3-3-6 自动控制程序图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，用以表明动方向。横线表示转换的条件。若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一工步。其顺序功能图(SFC)如图 3-3-6 所示，根据顺序功能图可以方便地转换为梯形图程序。19结束语对冲压气动机械手的结构设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法进行了研究。并设计了用于冲压机床上下料及移料的气动机械手。在全面分析机械手功能的基础上，着重进行了机械手机构设计、机械手抓取机构夹紧力的优化、气动驱动系统设计和控制系统设计等几个方面的研究工作。总结如下：(1) 块式的特点，每一个部件成为一个模块，通过更换或调整伸缩气缸、升降气缸、手部结构及其连接件等，可适应不同类型的工作要求。在满足基本动作要求的基础上，采用气动驱动作为机械手的驱动方式。(2) 上结合机械手顺序动作流程建立了机械手驱动系统动