【基于PLC上下料机械手设计8700字（论文）】

基于PLC上下料机械手设计目录TOC\o"1-3"\h\u7532第1章前言 312291第2章PLC的选型与机械手的组成 3282982.1PLC的基本概念 3227252.1.1PLC的基本结构 4201152.1.2中央处理器CPU 576472.1.3存储区 5295102.2机械手的组成 6268432.2.1执行机构 6101552.2.2驱动系统 10188832.2.3位置检测装置 11205652.2.4传动系统 1173592.2.5机械手控制系统 1425355第3章基于PLC控制系统硬件设计 15270683.1PLC的选型 15297893.2系统控制原理 16138393.2.1I/O分配表 16212903.2.2PLC软件编程元件 171173.3限位开关选型 17105423.4光电开关选型 1886773.5电动机选型 1943573.6电磁阀选型 20250963.7PLC控制系统硬件接线图 2121834第4章结论 2217489参考文献 24

第1章前言现在工业水平的不断提高，科学技术逐渐成为第一生产力也给人们的生活带来了本质性的变化，大大提升了工作环境和幸福指数。现在的自动化技术被广泛的应用于工业生产，也普遍使用于自动化制造行业之中。因为现代自动化技术与传统机械相结合，制造业生产效率得以提升。机械臂是在此发展时期出现的一项新技术。消耗优于传统机械设备。它可以在制造业和现代工业生产中发挥重要作用。现代自动化技术的出现时为了提高生产效率降低劳动成本，使工作更简单化、安全化。随着机械臂技术的不断发展，大量机械臂已开始用于工业领域的焊接，注塑，夹持，组装和其他工业生产。在生产线之中，机械手把一条传送带上的物品传送到需要加工的工作台台上。机械手的提升，降低，伸展，收缩，夹紧和压力释放动作均由继电器控制，以操作液压传动系统软件，行程开关和光电开关用于检查机械手和机器人的运动。机械手所在的部分。皮带和机械手的左右旋转由异步电动机驱动，电动机有相应的防护措施。第2章PLC的选型与机械手的组成2.1PLC的基本概念现代国际社会法律规定,加工业和机械制造业应迅速积极响应国际市场需求,生产开发出一种具有小批量的,多样化的,多规模的,低成本高质量的现代化产品。为了更好地满足这一要求,生产线设备和自动化生产线的控制系统必须具有很高的稳定性和协调能力。PLC恰好满足此要求。它是基于微控制器的通用工业控制系统设备。PLC具有广泛的应用范围,功能齐全,易于使用。长期以来,它已广泛用于各种工业设备和生产过程的自动控制系统中。PLC在家庭自动化等其他行业的应用也取得了快速的发展趋势。PLC仍处于不断发展的趋势,设备的功能不断被丰富,资源对全球开发不封所。它在工业生产互联网控制系统中也具有无可争议的影响。PLC具有广泛的应用范围和较高的普及度,这是控制计算机和设备的其他计算机系统所无法比拟的。国际标准化组织（IEC）于1985年提出的PLC规格化建议中将PLC定义如下：“可编程控制器是一种用于数字化操作的电子控制系统，专为在工业自然环境下进行应用研究所设计。其运用了用户可以自由编写程序的微处理器。存储器，用于存储执行“或”运算的命令，还可以根据数字量输入和数字量输出进行数字化的显示，可以根据实际的控制要求编写相关程序，与PLC相关的外围机械设备相结合，加快了工业自动化的发展进程也加速了可编程控制器的硬件和软件的开发进度”从上述的描述可以了解到，可编程控制器是一种新兴工业计算机，通过对软件的编辑就可以实现对外部硬件的控制。PLC除了可以完成程序的执行意外还可以与其他工业硬件进行相互的信息交换。2.1.1PLC的基本结构可编程控制器（俗称PLC）：这是一种专门应用于各种数字化操作的电子控制系统,专门为各种工业自然环境中的应用而设计。它通过选择一种类型的可编程控制器或者存储设备来实现对程序流,执行"或"的运算,顺序控制,时间,计数和算术运算以及其他以用户为中心的命令，并根据数据数字输入，输出来控制工业制造中的各种机械。PLC实现执行控制，其基本的控制原理时通过算法来优化控制系统输入/输出，并配合外部元件加以实现。输入/输出的相互转变加上外部的执行机构就构成了可编程控制器实现控制最基本的两个关键要素,可编程控制器在设计时参考了计算机的结构,包括中央处理器、系统程序存储区、输入电路与输出电路、通讯及电源构成。PLC的基本结构如图2-1所示。图2-1PLC的基本结构2.1.2中央处理器CPU中央处理器（CPU）作为PLC最重要的元件。其根据可编程控制器的控制要求开发的功能有：1.人为编写的程序和数据的读写；b.监控PLC各个组件的工作状态，当发现人为编写的程序有错误时可以报警提示·。当可编程控制器运用到工业制造之中时，第一步是扫描整个控制系统并记录下输入/输出的工作状态后存入相应的存储区域，其次在人工编程设计的软件程序中执行，通过对人工编写的程序的运算，将运算的结果传送给PLC的外部执行器件。待CPU运算完人工编写的控制程序时，将输入/输出映象寄存区的各种数据传送给对应的输出元件。2.1.3存储区PLC的数据存储区域由用户程序和系统程序两部分组成。系统程序区域的存储器称为系统程序存储器；用户程序的保存区域称为用户程序存储器，因此在数据层面上将其定义为上述两部分。可编程逻辑控制器储存区域的制定：虽然各种可编程逻辑控制器的中央处理器的最大FPU空间均不一样，但是根据PLC的运行方式，其储存区域一般含有以下几点：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（3）用户程序存储区系统程序存储区：PLC的基本操作程序均存放于此区域。包括监控程序、控制程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。本类程序通常被固件生产厂商烧录在EEPROM内，用户没有权限对其进行读写。PLC的工作性能主要由该类软件和组成的硬件所决定。PLC的RAM储存包括I/O映象寄存区以及各类电气元件，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、中间变量存储器、等存储器。（3）用户程序存储区：该区域储存由人工进行开发的软件程序。各个型号不相同的PLC，储存大小也不尽相同。2.2机械手的组成本文所设计的机械手设备主要由系统输入、执行机构、驱动系统、传动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。2.2.1执行机构1.手爪结构机械手的通用性是更重要的是，如果特征太简单，没有太多的价值，所以在这个多才多艺的加强，有必要手操纵的机制做一个结构，可以更换，另外，可以变成一种气动吸盘的结构。这种手的结构是手指和力的传递的简单结合。这种制度形式多样，适应面广。对手部的基本要求（1）具有足够的夹紧力；手指的夹紧力对于机械手整体设计也很重要。在计算夹紧力的时候还需要考虑到一些因素。例如惯性力和振动，一定要保证不会干扰到机械手的正常工作。（2）手指间应具有一定的开闭角；手指的开闭角度用来保证物体在达到指定位置4后可以正常的分离或进入。一般情况下，当工作条件较好，环境允许时，最好是打开和关闭更大的范围。（3）保证工件准确定位；设计中一定有误差，因此在设计中采用了IT8级，从而保证工件的定位。（4）具有足够的强度和刚度；设计手的时候必须要考虑到材料具有合适的强度和刚度，满足工作要求。（5）考虑被抓工件的形状要求。设计任务要求：工件为圆柱形，外径40-60mm，长度范围40-60mm，质量小于500g。因此，可以将齿轮加工旋转设计成夹紧机械手来完成圆柱形零件，使传动效率高，结构简单。为了简化结构，不仅可以提高齿轮和连接臂的整体强度，还可以对设计结构进行更详细的设计。图2-2手爪结构设计装配图2.上臂结构上臂采用底板和外罩的复合结构。为了降低发动机所需的性能，采用了重量大幅减轻的钣金风车镶嵌结构。嵌体的主要功能是旋转驱动端的结构。另外，为了防止灰尘等杂物进入外罩。设计材料选用低密度铝材，可减轻重量，使用更方便。图2-3上臂侧板结构图3.下臂结构因为下臂设计使用的是同步带结构，所以下臂和上臂的设计有一些相似的地方，上臂依旧依赖同步带的传动，下臂的位置可以通过同步带进行调整。所以，因为下臂的设计需求，它由三块随槽移动的板组成。U型槽结构，在U型槽外侧设计了两组滑动动力件，上臂结构固定在滑块上，保证了上臂的正确直线运动。图2-4下臂设计结构图4.腰座结构机械手手臂主要靠腰部支撑，同时保证手臂旋转过程的稳定。所以，腰部转动过程中转速和稳定性都很重要，可以避免受到惯性作用。另外，减速器按照实际情况安排，不仅是安装，还必须具备以下条件。（1）强度刚度都适合。（2）这机械臂不受到振动影响。（3）良好的热稳定性。（4）加工方面，运输过程平稳。如图4-4所示，机械手腰部主要由滑动件、支撑件、传动件等辅助部件组成。腰部的驱动原理与手臂相同，电机通过螺杆旋转，滑块使滑块向下滑动。导轨两端装有防撞块。展开至腰部，但必须配备减速装置，其支撑臂、腰管、滑块均采用KBM系列铝合金线材。缓冲块由WS系列铜合金制成。与其他机械手不同，旋转电机安装在腰部和腰管上。电机通过减速器转动的接头固定支撑臂，腰部支撑臂两端固定在跑道上，滑块固定在滑台上，防撞缓冲器安装在滑块座上。图2-5腰部结构设计图2.2.2驱动系统驱动系统是整个机械手的动力来源。驱动系统的结构通常分为由液压装置所组成的液压传动系统、由气压泵进行驱动的气压传动系统以及由齿轮、传动轴等机械元件所构成的机械传动系统。机械手的抓取、运动等操作均由控制系统控制完成。在目前的工业生产中机械手控制系统主要分为传统以继电器构成的电子控制系统以及有智能操作设备所构成的可开发程序控制系统。在现代智能控制系统中设备通常装配有EEPROM等程序存储装置。机械手能够读取其中的程序信息，并按照程序指令进行运动（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时，程序可以对控制系统的动作进行监视并传达给上位机。当机械手发生故障或产生危险动作时，控制系统可以通知上位机并发出声光报警信号。2.2.3位置检测装置位置检测装置通常由一系列的检测传感器所组成。传感器可以将机械手的是是运动轨迹和位置传达给控制系统。通过传感器返回数据与设定值进行比较可以适时调整机械手移动位置，从而使整个机械手提高控制精度。2.2.4传动系统1.动力传动系统通常机械手一般有三种驱动方式：（1）电动驱动电力驱动是目前最常见的传动方式。实际能量比手工简单，速度快，效率高。电力传动还会连接着减速机，这会影响机械臂的驱动。电机主要有直流电机驱动和伺服电机驱动两类。设计了交流伺服电机驱动的开放式控制方式。虽然这种控制方法相对简单，但由于其功耗小，控制精度低，功耗低。它通常用于机器人系统。（2）液压驱动器在液压驱动机器人系统中，因为受到较强的驱动功率，且上述结构较为简单，无需减速齿轮。所以，液压驱动机器人更适合伺服电机驱动的驱动方式。（3）气动驱动器气压传动装置虽然相对简单，但在相同的功率下没有液压驱动，气动驱动力较小。由于电压低，上述控制速度非常不方便，可用于一些低精度的液位控制系统。通过对三种驱动方式的比较，本文机器人在电气驱动方式的选择上采用了直流伺服电机和步进电机。2.电机选型电机作为机器人前进的动力源，是整个系统的核心设备。它对安全性和可靠性有一定的影响。电机的选择有多钟，专用进口机器人操作的部件相对较小，所需的部件相对较小。由于位置精度较高，所以选用伺服电机作为设计方案。根据设计可选用110-02030型伺服电机，额定功率600W，额定电压220V，额定功率1.96N·m。3.齿轮传动设计图2-6齿轮设计确定齿轮的类型和精度，确定齿的材质和数量1）在这种变速模式下，设计选用压力角为20度的圆柱齿轮。2）高精度新型串并混联上下料机械手，7级精度选择。3）目前选用的材料为45钢齿轮，硬度范围为229至286HBS。4）齿轮1齿数，传动比选取，齿轮2齿数为防止齿数啮合破坏，齿数互质，选择按齿面接触强度设计由设计计算公式进行验算，即2.2.5机械手控制系统机械手的工作流程图如图2-9,2-10所示。图2-9系统结构图2-10机械臂系统示意图根据上图分析，按下启动按钮传送带开始工作，当工件接触到光电开关时传送带停止工作，同时机械臂开始动作，机械臂在原点时，机械臂伸出当接触到伸出限位I0.0时机械臂开始下降，当机械臂接触到下降限位I0.3时机械手臂进行延时后夹紧，夹紧延时后机械手开始上升，当接触到上升限位I0.2时机械手臂开始回缩，机械手回缩时接触到回缩限位I0.1时，机械手开始右转，当机械臂右转达到右转限位I0.5时，机械手开始伸出当接触到伸出限位I0.0时机械臂开始下降，当机械臂下降到下降限位I0.3时机械臂进行短暂延时后机械手将所夹的工件放在工作台上进行加工，机械手放松后开始上升，当接触到上升限位I0.2时机械臂开始回缩当机械臂回缩到回缩限位I0.1时机械臂左转到初始位置实现一个循环。第3章基于PLC控制系统硬件设计3.1PLC的选型PLC技术经过几十年的发展，技术已经相对成熟。全球已有二百多个公司集团生产可编程控制器以及可编程控制器的相关产品，其中较为优秀的PLC生产公司有德国SIEMENS、美国罗克韦尔、日本MITSUBISHI、OMRON公司等。得益于西门子公司强大的软硬件实力，在上述公司中，使用较为广泛的PLC设备主要是西门子公司所生产。西门子PLC不仅时常应用于工业生产现场，在国内基建方面也有所使用。目前，西门子公司生产的PLC，在国家的各个行业应用已经相当广泛。欧姆龙所生产的PLC设备主要宗旨是小型化、集成化，在小型工业控制现场和流水线被广泛使用。相较于西门子公司所生产的PLC，欧姆龙实现了PLC在硬件集成化技术上的突破，但究与其控制精度不理想，程序指令读取方面的设计缺陷，难以应用在大型工业控制场合。本次设计确认选型为西门子（SIMENS）S7-200SMART系列PLC，CPU型号为SR30继电器输出，220VAC供电，18输入/12输出。选择此型号的PLC足够本次设计的使用，同时还有剩余的输入输出点数可以为后续的升级留出足够的空间。S7-200SMART系列PLC的CPU扫描周期和扫描速率更快，通过西门子设计的12nm制程工艺的SR30高速芯片，将基本指令的反应时间控制在0.15纳秒以内，实现了小型PLC的高精度、高反应速度的控制要求，因此在同级别PLC中首屈一指，遥遥领先。SMART系列PLC在通讯方面也做出了改进。他在原有的RS485通讯的基础上还增加了以太网通讯接口，大大提升了PLC的通讯扩展能力，还提升了PLC的传输速率。S7-200SMART系列PLC延续了其父版本S7-200的基本编程语言设计思想，只有极少数的与硬件相关的指令与其不同所有上手也十分的简单。考虑经济性，S7-200SMART系列PLC为小型PLC也是应用最为广泛的PLC其价格低廉，体积小巧且性价比高，抗干扰能力强后期维护也更加的方便。3.2系统控制原理3.2.1I/O分配表PLC控制的机械手输入分配表如表3-1所示。表3-1输入分配表输入名称地址输入名称地址伸出限位I0.0传送热继电保护I1.2回缩限位I0.1旋转热继电保护I1.3上升限位I0.2物料检测I1.4下降限位I0.3手动伸出回缩I1.5左转限位I0.4手动上升下降I1.6右转限位I0.5手动夹紧放松I1.7夹紧限位I0.6手动左转I2.0手动启动按钮I0.7手动右转I2.1自动启动按钮I1.0复位按钮I2.2停止按钮I1.1PLC控制的机械手输出分配表如表3-2所示。表3-2输出分配表输出名称地址输出名称地址伸出电磁阀Q0.0右转Q0.5报警指示灯Q0.1夹紧电磁阀Q0.6上升电磁阀Q0.2传送带Q0.7自动运行指示灯Q0.3手动运行指示灯Q1.0左转Q0.43.2.2PLC软件编程元件本次设计使用SIMATICS7-SMART系列PLC作为本次设计所使用的硬件，编程中所用到的元件如表3-2所示。表3-3内部元件表名称用途输入变量（I）系统输入输出继电器（Q）系统输出中间继电器（M）中间输出变量定时器（T）计时计数器（C）计数特殊继电器（SM0.1）初始化脉冲3.3限位开关选型作为按钮的变种形式，限位开关被应用于控制系统的各个使用场景中。限位开关（或行程开关）与传统按钮的区别在于其控制源是机械设备而并非人工。根据机械设备的运行轨迹，在设备运行至某一点位时，限位开关被触发，使程序得以反应，从而改变机械设备的运动路线。综上所述，限位开关可以实现机械设备的运动控制，包括自动启动、停止、以及变向运动等。限位开关主要分为被机械设备直接触发的直动式限位开关、通过机械摆锤装置间接触发的单轮旋转式限位开关、以及单轮式限位开关的升级版本（双向触发）的双旋转式限位开关等多种行程开关。在本次设计中采用的是直动式限位开关其结构如图3-1所示。顶杆2-弹簧3-常闭触头4-触头弹簧5-常开触头图3-1直动式限位开关结构图当运动机构的挡板撞到直动式限位开关的顶杆时，顶杆向下移动，此时限位开关的常闭触头断开常开触头闭合，当挡板移走后由于弹簧的作用限位开关的各个触头回复到起始状态。生产限位开关的工厂有很多，本次设计选用的限位开关的型号选择为德力西LXK3-20S直动式限位开关其工作电压为AC220V，额定电流为1.6A可以满足本次的设计需求。3.4光电开关选型光电开关由光发射元件和接收元件所组成。其工作原理是发射端与接收端中光束被移动物体所阻挡时，光电开关被触发。光电开关很广泛的应用于机械臂的动作限位、记录运动次数、检测物料位置的一类非接触式的开关。根据光线检测形式的不同，光电开关主要被分为有光线对射式、反射式、夹角式、光导纤维式等多种工作方式的光电开关。在本次设计中采用的是对射式光电开关，这类光电开关一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成发送器和接收器在一个水平线上相向安装，发送器发出光束由接收器接收当有物体经过时接收器的透光亮就会发生变化其工作原理如图3-2所示。图3-2对射式光电开关工作原理图本次设计选用的光电开关的型号为E3F-20C1/20L，其工作电压为6~36V，可以感应的距离为30CM-20M，优点有可以检测的距离比较广，检测精度高等，可以满足本次设计对于检查物料时检测精度和检测距离的需要。3.5电动机选型本次毕业设计的控制系统中所需要的电动机主要的用途为带动机械手的左转和右转，并且因为机械手本身具有一定的重量，夹起的重物也有一定的重量，在旋转的过程中速度不可以太快，所以对所选择的电动机转矩有一定的要求，根据上述的要求所以本次设计选用减速电机作为机械手左转和右转的电机。减速电机一般分为直流减速电机和交流减速电机，在本次设计中采用的是交流减速电机，交流减速电机的基本结构为交流电动机和微型齿轮减速箱，齿轮减速箱的作用就是提供一个比较低的转速和比较大的转矩。与此同时，齿轮减速箱不同的减速比也可以提供不同的转速和转矩，这样就加大了减速电机的应用领域，可以在不同的行业中使用功率不同的直流减速电机，减速电机的优点有体积较小、噪音低、功耗低、耐用等优点。本次设计选用的减速电机的型号为YS-70KTYZ永磁交流减速电动机，此型号电动机可以满足本次设计所需，其主要参数如表3-4所示。表3-4减速电动机参数铭牌参数额定电压AC220V额定功率40W是否正反转是转速2.5r/min此型号的电动机可以满足本次设计机械手左转和右转的要求。3.6电磁阀选型电磁阀由电磁感应线圈和永磁铁、传动机构所组成，属于执行器的一种。在工业控制系统中，电磁阀的主要应用场合为气动阀门、液体闸门等。究与电磁阀优秀的工作特性，电磁阀在气动和液压方面得到了广泛的应用。电磁阀的种类有很多种例如二位三通式电磁阀、二位四通式电磁阀、二位五通式电磁阀等多种不同种类的电磁阀。不同的电磁阀其适合的工作场合也不尽相同，本次设计主要采用的电磁阀类型为二位四通式电磁阀，二位五通是电磁阀和二位四通式电磁阀在控制方面达到的控制效果是相同的，不同点在于二位五通是电磁阀更适合应用于气动控制系统中气体可以直接有电磁阀排除不需要回收。而二位四通式电磁阀又被称为换向阀是主要适合应用在液压领域的电磁阀。主要特点是可以很方便的回收液压油使其可以达到重复利用的目的。二位四通式电磁阀的工作原理（如图3-3所示）当电磁阀失电时液体由B口进入液压缸由A口流出液压缸，此时液压杆处于原点起始位置。图3-3电磁阀工作原理当电磁阀线圈通电时液体由A口流入液压缸由B口流出液压缸，此时由于压力的作用使液压杆伸出，当电磁阀失电，由于弹簧的作用使得液体流向变为B口流入A口流出使液压杆回归原位如图3-4所示。图3-4二位四通电磁阀工作原理图本次设计选用的二位四通电磁阀型号为DSG-02-2B2-A220-DL，电磁阀的工作电压为交流220V，带自复位式电磁阀其优点是当电磁阀得电时液压杆伸出，当电磁阀电时，电磁阀可以实现自动复位，可以满足本次设计的需求。3.7PLC控制系统硬件接线图PLC外部接线图是可以直观表示出外部接线原理，外部接线图如图3-5所示。图3-5PLC外部接线图第4章结论在基于PLC控制的机械手控制系统中，对于机械手的国内外发展状况和机械手的结构及控制方法进行了分析分析和研究，在了解了机械手臂的控制方法，并采用西门子系列PLC及西门子PLC编程软件对所提出的控制方法加以实现。在本次的设计中实现机械手臂的上升和下降动作、机械手的伸出和回缩动作、机械手的夹紧和放松动作、到整个机械手的向左旋转和向右旋转动作硬件部分配合限位开关和光电开关来使机械手达到限位的目的。并且可以通过控制程序可以使机械手臂按照规定的动作轨迹