搬运机械手PLC控制系统设计.docx

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搬运机械手PLC控制系统设计

搬运机械手PLC控制系统设计

成都电子机械高等专科学校成教院

毕业设计〔论文〕

论文题目：

搬运机械手PLC操纵系统设计

教学点：

指导老师：

职称：

学生姓名：

学号:

专业：

机电一体化技术

成都电子机械高等专科学校成教院制

2012年03月23日

成都电子机械高等专科学校成教院

毕业设计〔论文〕任务书

题目：

搬运机械手PLC操纵系统设计

任务与要求：

任务：

1、依照操纵要求，进行搬运系统硬件电路设计。

2、依照操纵要求，编制简易物料搬运机械手PLC操纵程序。

要求：

1、同意任务后有打算进行，确定各时期应完成的工作量。

2、在方案确定过程中要多摸索多问，积极探究论证。

3、要求程序流程图绘制规范，在规定时刻内完成所有的设计任务。

时刻：

2011年11月20日至2012年03月23日共12周

教学点：

学生姓名：

学号：

专业：

机电一体化技术

指导单位或教研室：

指导教师：

职称：

成都电子机械高等专科学校成教院制

毕业设计（论文）进度打算表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

11月25日至12月16日

拟定题目

11月17日至12月19日

编写提纲

12月20日至01月10日

初定写作

01月11日至01月30日

审稿

01月31日至03月20日

定稿并交电子档

教师对进度打算实施情形总评

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平常成绩的依据之一。

摘  要

随着工业自动化的普及和进展，操纵器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐步普及，要紧在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或物资装卸调运,能够更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济进展的要求。

本机械手的机械结构要紧包括由两个电磁阀操纵的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈操纵电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关（SQ1---SQ9）产生的通断信号传输到PLC操纵器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来操纵电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：

下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：

回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。

关键词：

搬运机械手、可编程操纵器〔PLC〕、液压、电磁阀

Abstract

Withthepopularityofindustrialautomationanddevelopment,thedemandforyear-on-yearincreaseofcontroller,handlingtheapplicationofrobotgraduallypopularity,mainlyintheautomotive,electronic,mechanicalprocessing,food,medicineandotherareasoftheproductionlineorcargotransport,wecanbemoregoodtosaveenergyandimprovethetransportefficiencyofequipmentorproducts,toreducerestrictionsonothermodesoftransportationandinadequatetomeettherequirementsofmoderneconomicdevelopment.

Themanipulatormechanicalstructureincludestwosolenoidvalvescontrolledbyhydraulicmanipulatorsteeltoachievetheincreaseddeclineinsportsandworkpiececlampingaction,thetwodifferentmotorspeedthroughthetwomotorcoilspositivecontrolinordertoachievecarofthefast-forward,slowforward,fastrewind,slowmovementbackmovement;conversionbysettingitsact

oninvariousdifferentpartsofthetripswitch（SQ1---SQ9）generatedon-offsignaltransmissiontothePLCcontroller,throughthePLCinternaldifferentoutputsignal,whichdrivestheexternalcoiltocontrolthemotororsolenoidvalveshaveadifferentaction,therobotcanachieveprecisepositioning;theircourseofactioninclude:

declineinclampingincreased,slowforward,fastforward,slowprogress,theextensionof,thedropin,relax,rise,slowback,rewind,slowback;itsoperation,including:

Backinsitu,manual,single-step,singlecycle,continuous;tomeettheproductionrequirementsofthevariousoperationsandmaintenance.

Keywords:

handlingmechanicalhands、ProgrammableLogicController（PLC）、hydraulic、solenoidvalve

目    录

第一章机械手概况

第一节搬运机械手的应用简况

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方法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要方法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时刻仅占零件生产时刻的5％。

从那个地点可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手确实是为实现这些工序的自动化而产生的。

机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手要紧应用于以下几方面：

一、热加工方面的应用

热加工是高温、危险的笨重体力|<<<<<12345678910>>>>>| 劳动，专门久以来就要求实现自动化。

为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，专门关于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采纳机械手操作。

二、冷加工方面的应用

冷加工方面机械手要紧用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。

进而在程序操纵、数字操纵等机床上应用，成为设备的一个组成部分。

最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。

三、拆修装方面

拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的进展。

目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采纳机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。

近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。

近些年，随着运算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手差不多成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

第二节机械手的应用意义

一、能够提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而能够提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

二、能够改善劳动条件

幸免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直截了当操作是有危险或全然不可能的。

而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。

在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，能够幸免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、能够减少人力，便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直截了当减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手能够连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地操纵生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

综上所述，有效地应用机械手是进展机械工业的必定趋势。

1.3.3机械手的进展概况与进展趋势

第三节机械手的进展概况

专用机械手通过几十年的进展，现在已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用和进展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一样的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、运算技术、无线电操纵、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对进展这一新技术都专门重视，几十年来，这项技术的研究和进展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

目前机械手的要紧经历分为三代：

第一代机械手要紧是靠人工进行操纵，操纵方式为开环式，没有|<<<<<12345678910>>>>>| 识别能力；改进的方向要紧是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子运算机操纵系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感受机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。

它与电子运算机和电视设备保持联系，并逐步进展成为柔性系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。

第四节机械手的进展趋势

目前国内工业机械于要紧用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、

性能方面都不能满足工业生产进展的需要。

因此，国内要紧是逐步扩大机械手应用范畴，重点进展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。

在应用专用机械手的同时，相应地进展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、运算机操纵机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便依照不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。

既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范畴。

同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、经历再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于运算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个差不多单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，进展较快。

目前要紧用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，然而还不具备任何传感反馈能力，不能应对外界的变化。

如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。

为此，国外机械手的进展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。

如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪〔即距离传感器〕以及卫星运算机。

工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给运算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令操纵机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈操纵装置。

工作时机械手先伸出手指查找工件，通过装在手指内的压力敏锐元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏锐元件来操纵，达到自动调整握力的大小。

总之，随着传感技术的进展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。

到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。

现今机械手的进展更要紧的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而全然改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第五节PLC概况及在机械手中的应用

一、可编程序操纵器的应用和进展概况

可编程序操纵器〔programmablecontroller〕，现在一样简称为PLC〔programmablelogiccontroller〕，它是以微处理器为基础，综合了运算机技术、半导体集成技术、自动操纵技术、数字技术、通信网络技进展起来的一种通用的工业自动操纵装置。

以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业操纵三大支柱之一。

在可编程序操纵器问世往常，工业操纵领域中是继电器操纵占主导地位。

传统的继电器操纵具有结构简单、易于把握、价格廉价等优点，在工业生产中应用甚广。

然而操纵装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，专门是由于它靠硬件连线构成系统，接线纷杂，当生产工艺或操纵对象改变时，原有的接线刻操纵盘〔柜〕就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。

二、PLC的应用概况

PLC的应用|<<<<<12345678910>>>>>| 领域专门广，并在迅速扩大，关于而今的PLC几乎能够说凡是需要操纵系统存在的地点就需要PLC，专门近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。

按PLC的操纵类型，其应用大致可分为以下几个方面：

〔1〕用于逻辑操纵

这是PLC最差不多，也是最广泛的应用方面。

用PLC取代继电器操纵和顺序操纵器操纵。

例如机床的电气操纵、包装机械的操纵、自动电梯操纵等。

〔2〕用于模拟量操纵

PLC通过模拟量I/O模块可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量操纵。

〔3〕用于机械加工中的数字操纵

现代PLC具有专门强的数据处理功能，它能够与机械加工中的数字操纵〔NC〕及运算机操纵〔CNC〕紧密结合，实现数字操纵。

〔4〕用于工业机器人操纵

〔5〕用于多层分布式操纵系统

高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。

从而形成多层分布式操纵系统或工厂自动化网络。

三、PLC的特点

〔1〕可靠性高、抗干扰能力强

PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时刻高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时刻间隔长达30万h，这是一样微机所不能比拟的。

〔2〕操纵系统构成简单、通用性强

由于PLC是采纳软件编程来实现操纵功能，对同一操纵对象，当操纵要求改变需改变操纵系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。

〔3〕编程简单、使用、爱护方便

〔4〕组合方便、功能强、应用范畴广

PLC既可用于开关量的操纵又可用于模拟量的操纵；既可用单片机操纵，又可用于组成多级操纵系统；既可操纵简单系统，又可操纵复杂系统。

因此，PLC应用范畴专门广。

〔5〕体积小、重量轻、功耗低

PLC采纳了半导体集成电路，外形尺寸专门小，重量轻，同时功耗也专门低，空载功耗约1.2KW。

四、PLC在机械手中的应用

机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节约人的劳动，一般继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线操纵，而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;操纵系统构成简单、通用性强；编程简单、使用、爱护方便;组合方便、功能强、应用范畴广;体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手的操纵动作复杂的场合，本设计正是以PLC操纵为基础从而实现机械手的各种动。

第二章搬运机械手总体设计方案

第一节搬运机械手结构及其动作

本机械手用于生产线上工件的自动搬运，依照对机械手的工艺过程及操纵要求分析，机械手的动作过程如图2—1所示：

图2—1机械手的动作周期

第二节机械手的操纵过程

如图3—2所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀操纵工件的夹紧、放松，B缸通过一双电两位四通电磁阀操纵机械手的升降；由小车实现机械手的移动。

该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。

当小车前进时以慢—快—慢的形式进行，返回时按慢—快—慢的形式后退。

当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢—快—慢的形式沿原路返回，复原到图示所示的原点位|<<<<<12345678910>>>>>| 置。

第三节机械手的操纵要求

为了便于生产加工、修理、调整设置的工作方式选择开关。

分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：

单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。

手动操作：

供修理用，即用按钮对机械手的每一步动作单独操纵。

例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情形下即执行相应的动作，其它动作以此类推。

回原位：

当由于断电或其它缘故导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原那么返回到原点位置。

单步运行：

供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。

单周期运行：

供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置

连续运行：

正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。

该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在〝返回原位〞，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。

假设自动工作状态解除，那么硬件工作方式选择开关放置于〝手从操作〞位置。

第三章 搬运机械手硬件系统设计

硬件系统设计包括机械部分和电气操纵部分的设计。

第一节机械手的结构

设计其结构如图3—1所示

图3—1：

机械手的结构示意图

图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施操纵。

其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。

第二节电气操纵的设计

包括主电路和操纵电路的设计。

主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其操纵如下：

慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别操纵其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别操纵其正传和反转。

机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀操纵的一个液压缸完成的，在通电情形下，机械手松开，得电时松开，能够防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情形发生。

第三节操作面板及动作说明

依照操纵和生产工艺的要求，操纵操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作，自动操纵包括单步、单周期、连续的操作。

故操作方式选择开关设置有五个档位。

手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位，故设置六个动作看官按钮。

各个动作进行的同时均设有动作指示灯。

另外设有启动停止按钮。

其操作面板如图3—3所示：

图3—3机械手操作面板示意图

第四节I/O分配

I/O设备即所需的I/O点数如下表所示：

依照I/O点的分配要求及考虑10%到15%的I/O裕量，本设计PLC采纳F1—60MR36/24型。

操纵电路设计要紧是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图3—5所示。

图3—5 PLCI/O接线操纵图

第四章搬运机械手的软件系统设计

机械手动操纵属顺序操纵，故其手动程序采纳一般的PLC操纵指令操纵，自动程序采纳步进梯形指令操纵

第一节梯形图的总体设计

按照机械手操纵和工艺流程的要求，在选择〝手动方式〞时应执行手动程序；在选择〝回原位〞时应执行回原|<<<<<12345678910>>>>>| 位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。

其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。

故梯形图的总体构成如图4—1所示。

图4—1搬运机械手PLC操纵梯形图总体构成

第二节各部分梯形图的设计

一、通用部分梯形图设计

通用部分梯形图分为三部分：

〔1〕状态器的初始化。

初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。

当方式选择开关置于〝返回原位〞〔X514接通〕时，按下复位按钮〔X507〕时被置位，在〝手动操作〞〔X510〕接通时，S600复位。

处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于〝手动操作〞或〝返回原位〞时，中间状态器同步复位。

故初始化梯形图如图4—2所示，〔假如状态器要在供电时从断电前条件开始连续工作，那么不需要M71〕。

图4—2状态器初始化梯形图

〔2〕状态器转换启动。

假设机械手工作在自动工作方式下，起初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态能够一步一步的向下传递，即可进行转换。

在执行〝连续程序〞时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。

另一面采纳M100检查机器是否处于原位。

当M5