机械手操作控制装置系统技术

电气自动化技术专业毕业设计设计课题：机械手操作控制装置系统技术

摘要工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模拟人体上肢的部分功能，按照预定规定输送工件或握工具进行操作的自动化技术设备，对现实工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起到重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以替代人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中常出现的笨重工件的搬运和长期频繁,单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其他优越性，有着广阔的发展空间前程。本课题通过应用PLC技术对其进行程序设计，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。本文将大体的介绍下机械手的组成部件，然后在选择合适的传动部件、驱动部件，同时本文还将阐述该机器人的具体运动环节。关键字：机械手；PLC；传动部分；驱动部分目录1诸论 11.1机器人概述 11.2机器人的历史、现状 11.3机器人发展趋势 12机器人实验平台介绍及机械手的设计 22.1机械手的机械传动概述 22．1．2机械手的系统控制规定： 22.2驱动部分 22.3电机的选择 32.4电机的校准 32．5继电器的选择 43.1控制部分 43.1.1程序环节 53.1.2I/O分派 63.1.3外部接线图 73.2程序 7结论 11致谢 12参考文献 131诸论1.1机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在化工等连续形象生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法：程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工自身外，尚有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由一个地方移向指定的工作位置，或按照工作规定以操控工件进行加工。1.2机器人的历史、现状机器人一方面是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际型学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前，工业机器人重要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热解决等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，重要在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适合人工作业的地方。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但由于种种因素，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，特别当机器人的生产于柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：①提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。②开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。2机器人实验平台介绍及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人,同时对于该机器人的极限负载能力定为30公斤（并不涉及机械手自己自身的重量）。2.1机械手的机械传动概述工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部分。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、大小、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大体科分为：（1）夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（4）仿生多指机灵手。本文设计的是物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.1：图2.1机械手手指形状（中心线对称）2．1．2机械手的系统控制规定1）在传输带A端有光电开关。当光电开关检测到物品时为ON状态；2）机械手在原位时，按下启动按钮，系统启动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停止；3）传送带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B（连续运转）上；4）按下停止按钮，应等到整个循环完毕后回到机械手原位，才会停止工作；2.2驱动部分该机器人一共具有左伸右缩、左右移动、上下移动、紧松动作以及两条输送带的运营，故一共需要六个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。①液压驱动：a）控制性能：运用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反映灵敏，可实现连续轨迹控制；②气动驱动：a）控制性能：气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制；③电机驱动：a）输出功率：较大；b）控制精度高，功率较大，能精拟定位，反映灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂；c）响应速度：很高；机器人驱动系统各有优缺陷，通常对机器人的驱动系统规定有：①驱动系统的质量尽也许要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；②反映速度要快，即规定力矩质量比和力矩转动惯量比要大，可以进行频繁地起、制动，正、反转切换；③驱动尽也许的灵活，位移偏差和速度偏差要小；④安全可靠；⑤操作和维修方便；⑥对环境无污染，噪声要小；⑦经济上合理，特别要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计规定，本文选用三相异步电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.3电机的选择负载转矩T2=50N·1Mn1=60f1÷p=60×50÷3=1000r/minn1:同步转速f1:频率p：极对数根据T2=P2÷=P2÷（2×3.14×1000÷60）=50N·1MT2：输出转距P2；输出功率n:定子转速所以，P2=5.2KW因此，根据这些条件，选择Y2-160M-6电机，其额定功率为7.5KW,额定电流为17A,额定电压为380V，额定转速为970r/min，功率因数为0.8。由于该电机的额定电流比较大，从而导致电机的瞬间启动电流会很大，导致电动机烧坏；所以在电动机启动时，应当采用降压启动。同时，在实际的运营中，机械手还应当安装变速器使实际转速下降，大大减少机械手的移动速度，使其大约在0.6m/s左右。2.4电机的校准⑴T2=P2÷=7500÷2÷3.1415926÷970×60=73.8350N·M≥50N·M能满足设计规定⑵Sn=(n1-Nn）÷n1=（1000-970）÷1000=0.03Sn：额定转差率n1：同步转速Nn：额定转速所以损耗为SnPem=0.03×7500÷（1-0.03）=232.0WSn：额定转差率Pem：电磁功率同时，该电机的散热系数为3.5。所以，根据温升公式C：温升：损耗A：散热系数电机的温升为232.0÷3.5=66.3。温升是以B级考核的，即允许的温升为130-40=90≥66.3，故该电机符合实际应用情况。2．5继电器的选择由于继电器的额定的电流应为电动机额定电流的1.1-1.25倍，所以继电器的额定的电流为18.7-21.25A。同时，PLC所接的电压为AC220，因此，选择TK-E5B-C。该继电器参数为：额定电流为18-26A，且满足电压的需求，故该继电器能满足设计需求。3.1控制部分西门子S7-200PLC具有：1）极高的可靠性；2）极丰富的指令集；3）易于掌握；4）便捷的操作；5）实时特性；6）丰富的扩展模块；7）最重要的是，设计的机械手中I/O有13入/12出。所以，该程序设计中采用了西门子S7-200PLC的CPU型号为226（24入/16出）。同时，选择的限位开关的型号为M4-4104，额定电流为25A，符合设计规定。3.1.1程序环节图3.1.1机械手运营图向左伸长：在I0.4检测到物体闭合时，由于I0.5处在闭合状态(向左伸长的限位开关），故Q0.5得电闭合，使机械手开始往左伸长（网络6）右移：（网络7）下移：（网络8）夹紧：（网络9）左移：（网络10）放开：（网络12）上移：（网络13）向右收缩：（网络14）该机械手是自动运营的。当按下启动按钮时，机械手就会进行循环动作。若碰到紧急情况时，可按下停止按钮。当机械手在原位时，机械手就会直接停止；若机械手正处在工作状态，那么按下停止按钮，机械手也不会立即停止，只有等机械手回到原位，才会停止；同时，输送带B也只有等机械手回到原位时才会停止。3.1.2I/O分派I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6SB1启动SB2停止SB1启动SB2停止光电感应开关向左伸长的限位下限I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4压力感应器左限放松限位上限向右收缩限位机械手是否在原位Q0.0Q0.1Q0.2（Q0.0）Q0.3（Q0.1）Q0.4Q0.5Q0.6电机A转动电机B转动电机A停止电机B停止向左伸长右移下移Q0.7Q01.0Q1.1Q1.2Q1.3夹紧左移放松上移向右收缩表3.1.2I/O分派3.1.3外部接线图图3.1.3外接接线图

3.2程序网络1网络2网络3网络4网络5网络6网络7网络8网络9网络10网络11网络12网络13网络14结论随着经济的快速发展，科技的日新月异，机械手势必会成为我们生活上不可或缺的一部分。本文所设计的机械手不仅包含了PLC程序设计，还囊括了设备选型，电气原理图以及CAD图纸。它是运用电动机执行，PLC控制的自动化机械手。采用PLC程序控制不仅具有可靠性高，改变程序灵活的优点。无论是实现点动，单循环还是循环控制，均可通过更改PLC程序来实现，使该机械手有更大的作用空间。实践证明：正是由于机械手具有各种人手所不具有的功能，在某些方面，机械手正有逐步取代手工操作的趋势。致谢本论文在包世健老师及各位教务处老师的的悉心指导和严格规定下业已完毕，从课题选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师们的心血和汗水，也始终感受着老师们的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正专心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学在以后学习中激励我继续进习就不也许有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我进步。不积跬步何以至千里，本设计可以顺利的完毕，也归功于各位任课老师的认真负责，使我可以很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完毕，在此向全体老师表达由衷的谢意。参考文献[1]李益民，《电机与电气控制技术》，高等教育出版社，2023[2]许晓峰，《电机与拖动》（第二版），高等教育出版社，2