工业机械手控制系统研究论文Word格式.docx

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2.5.3液压缸16

2.5.4压力控制阀17

第三章可编程控制器介绍19

3.1PLC的结构及各部分的作用20

3.1.1中央处理单元（CPU）20

3.1.2存储器（RAM、ROM）20

3.1.3输入输出单元（I/O单元）20

3.1.4电源20

3.1.5编程器20

3.2PLC的工作原理21

3.2.1输入处理21

3.2.2程序执行21

3.2.3输出处理21

3.2.4PLC的基本性能指标21

3.3PLC编程语言23

3.3.1梯形图编程语言23

3.3.2语句表编程语言23

3.3.3控制系统流程图编程图23

3.3.4PLC的基本指令24

第四章硬件设计27

4.1传感器27

4.1.1传感器的简介27

4.1.2传感器的选择28

4.2步进电机29

4.2.1步进电机的选择29

4.2.2步进电机驱动器的选择32

第五章软件设计35

5.1任务分析35

5.2I/O分配35

5.3硬件接线36

5.4流程图37

5.5梯形图38

第六章总结与展望39

参考文献40

致谢41

附录42

第一章绪论

现有的电力生产设备大多是由电动机作为原动机进行拖动的，其通过对电动机的状态控制从而达到对生产设备进行启动、停止的控制，实现改变生产设备的工作速度、运动方向等等。

相较于传统的继电器控制，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、使用方便和易诊断排除故障等优点。

且PLC体积小、能耗低、响应速度快、功能完善、安装调试方便、维护成本和维护工作量小。

PLC在计时器方面具有精度高、定时范围广和方便时间调整等优点。

PLC控制的优点还包括可以方便地修改程序，改变控制方法和控制对象等。

总之，采用PLC控制方式比继电器控制可靠简单，比计算机控制经济实用，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，主要原因在于其能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需求，所以得到越来越广泛的应用。

节约人工、减轻工人的工作劳动力：

用机械手取出产品，可节省人工，如配合输送带同时使用，则一名操作工人可以轻松的操作2-3台注塑机。

而且解决了操作大吨位注塑机时工人操作特别劳累的问题，排除了因为劳累引发的安全隐患及产品降低等一系列问题。

安全性高：

用人工取产品或水口有夹伤手的危险，使用机械手则可确保安全生产。

提高效率：

以注塑周期30秒计算，用人工取出一天约为2800模，如使用机械手可将周期缩短到27秒，则用机械手取出一天约3200模，可提高400模左右。

稳定产量：

使用机械手可以使每一模的产品生产时间固定化，相同的塑化时间、射出时间、保压时间、冷却时间、开关模时间，稳定了产量，方便安排生产，调高了产品的成品率。

提升品质：

如产品为自动脱模，顶针延时肯定会影响生产效率，且产品自动脱落会造成碰伤，沾到油污而造成不必要的不良品。

如用机械手取出，锁模时间固定，模温正常，可降低产品不良率。

防止模具损坏：

人工如未能成功取出产品或水口，合模会造成模具损坏，机械手臂如未能成功取出产品或水口或其中一件，会自动报警停机。

摆脱人工操作的惰性：

无论白班还是夜班操作工人长时间的工作都会产生一种惰性和疲劳感，取出时会延长开关模时间。

而且工人会由于工作情绪、节假日、身体状态等情况缺勤，特别是春节前后，各住宿工厂人员最紧缺，使用机械手则可摆脱人工操作的惰性和疲劳感，不用担心工人的缺勤而干扰到工厂的正常生产，更不会因为人才流到而影响生产。

1.1机械手简介

机械手简介机械手简介机械手简介工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。

他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：

其一、它能部分的代替人工操作；

其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；

其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。

尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。

在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

1.2机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

1.执行机构

（1）手部即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。

夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，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。

手指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:

手指有外夹式和内撑式;

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指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较多时常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

（2）手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）

（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

（5）行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式布为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

（6）机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

2.驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

3.控制系统

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

4.位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

1.2.2机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

1.按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

（1）专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。

（2）通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:

简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:

可以是点位的，也可以实现连续轨控制；

同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

2.按驱动方式分

（1）液压传动机械手

液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:

抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

（2）气压传动机械手

气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。

但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

（3）机械传动机械手

机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。

它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。

动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

（4）电力传动机械手

电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前途。

3.按控制方式分

（1）点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

（2）连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

第2章机械手机械系统

6

7

第二章机械手机械系统

2.1凸轮机构

凸轮机构是机械传动中常用的机构之一，它能实现圆周运动的转换。

凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件。

凸轮机构又凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。

凸轮机构具有以下优点：

只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意预定的运动规律，机构简单、紧凑。

凸轮机构是高副机构（凸轮与从动件为点、线接触），易磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。

常用的凸轮机构包括各种弧面凸轮机构、蜗杆凸轮分度机构、平行凸轮机构、圆柱凸轮机构等，广泛应用于各种自动控制系统机构中。

1.弧面凸轮分度机构

弧面凸轮分度机构是利用弧面凸轮的工作面与从动盘上呈辐射形状分布的滚子依次啮合来实现从动盘的分度运动与定位，从而将连续的回转运动变成间歇回转运动输出。

它的特点是：

输入与输出轴成空间交叉布置，可以进行多姿态安装使用，广泛应用于制药机械、烟草机械、印刷机械、食品包装机械等各种需要步进驱动的自动机械上，如图2-1所示。

图2-1弧面凸轮分度机构图2-2蜗杆凸轮分度机构

2.蜗杆凸轮分度机构

蜗杆凸轮分度机构，它的工作形式与弧面凸轮分度机构相似，是通过蜗杆的工作曲面与从动盘上均匀分布的滚子依次啮合来实现从动盘的分布运动与定位，从而将连续的回转运动变成间歇回转运动输出。

他的特点是：

输入与输出轴成空间垂直布置，如图2-2所示。

3.平行凸轮分布机构

平行凸轮分度机构是利用一组平面共轭凸轮作为主动件进行连续均匀转动的输入，由各层滚子组成的从动轴作为运动的输出。

工作时，凸轮共轭曲面与从动盘上各层滚子依次啮合，来实现输出轴的分度运动与定位，从而将连续的回转运动转变为间歇运动输出。

输入轴与输出轴平行，运行性能好。

高速下运动振动噪声较小，凸轮为平面凸轮，加工方便、易推广应用，传动平稳，输出精度易控制，广泛应用于两轴平行的各种自动机的间歇转位分度，如图2-3所示。

4.圆柱凸轮分度机构

圆柱凸轮分度机构是利用圆柱形凸轮的工作曲面与从动盘端面同意圆周上均匀的滚子依次啮合，推动从动盘作为分度运动与定位，从而将连续的回转运动变为间歇运动输出。

，它的特点是：

输入轴与输出轴呈空间垂直相交布置，通过输出轴垂直向上安装使用。

2.2间歇运动机构

在机械中，有时需要将原动件的等速连续转动变为从动件的周期性停歇间隔单向运动或者时停时动的间歇运动，如牛头刨床上的横向进给运动、自动机床中的刀架转位和进给、成品输送及自动化生产线中的运输机构等的运动都是间歇性的运动。

能实现间歇运动的机构称为间歇运动机构。

间歇运动机构很多，如凸轮机构、不完全齿轮机构和恰当设计的连杆机构都可实现间歇运动。

本章介绍在生产中广泛应用的两种间歇运动机构：

棘轮机构和槽轮机构。

2.2.1棘轮机构

棘轮机构是一种用途广泛的间歇性机械传动机构，其组件主要包括摇杆、棘爪、棘轮、制动爪和机架等。

如图2-3所示，当曲柄2作连续旋转运动时，通过连杆3带动摇杆与主动爪4使得棘轮5作间歇性回转运动，这种机构实现回转的单向间歇运动。

摇杆顺时针摆动，棘爪插入齿槽，推动棘轮转过一定角度，制动爪则划过齿背：

摇杆逆时针摆动，棘爪划过齿背，制动爪则阻止棘轮做逆时针转动-棘轮静止不动。

因此，当摇杆做连续的往复摆动时，棘轮将做单向间歇运动。

当把棘轮5的中心轴运动作为输出运动时，可用于自动生产线的间歇工作的实现。

图2-3棘轮机构图2-4棘轮机构原理图

1.棘轮机构的分类方式有以下几种：

（1）按结构形式分类

齿式棘轮机构结构简单，制造方便；

噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。

摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。

特点是传动平稳、无噪音；

动程可无极调节。

但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护的作用，但是传动精度不高。

适用于低速轻载的场合。

（2）按啮合方式分类

外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部，而内啮合棘轮机构的棘爪或楔块均在棘轮内部。

外啮合式棘轮机构由于加工、安装和维修方便，使用较广。

内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。

（3）按从动件运动形式分类

棘轮机构按从动件运动形式分类可分为单动式棘轮机构、双动式棘轮机构和双向式棘轮机构。

单动式棘轮机构当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮运动。

双动式棘轮机构，在主动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动两个棘爪，两次推动棘爪转动。

双向式棘轮机构常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，齿数较少，而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场合。

以上介绍的棘轮机构，都是能按一个方向作单向间歇运动。

双向式棘轮机构可通过改变棘爪的方向，实现棘轮两个方向的转动。

2.棘轮机构的应用　　

棘轮机构的主要用途有：

间歇送进、制动和超越等，以下是应用实例。

（1）间歇送进

　　图示为牛头刨床，为了切削工件，刨刀需作连续往复直线运动，工作台作间歇移动。

当曲柄1转动时，经连杆2带动摇杆5作往复摆动；

摇杆5上装有双向棘轮机构的棘爪3，棘轮4与丝杠6固连，棘爪带动棘轮作单方向间歇转动，从而使螺母（即工作台）作间歇进给运动。

若改变驱动棘爪的摆角，可以调节进给量；

改变驱动棘爪的位置（绕自身轴线转过180°

后固定），可改变进给运动的方向。

（2）制动

　　图示为杠杆控制的带式制动器，制动轮与外棘轮2固结，棘爪3铰接于制动轮4上A点，制动轮上围绕着由杠杆5控制的钢带6。

制动轮4按逆时针方向自由转动，棘爪3在棘轮齿背上滑动，若该轮向相反方向转动，则4轮被被制动。

（3）超越

　　图示的棘轮机构可以用来实现快速超越运动。

运动由蜗杆传到蜗轮，通过安装在蜗轮上的棘爪3驱动棘轮棘轮机构超越棘轮机构超越

固连的输出轴5按图示方向慢速转动。

当需要轴快速转动时，可按输出轴的方向快速转动输出轴上的手柄，这时由于手动转速大于蜗轮转速，所以棘爪在棘轮齿背滑过，从而在蜗轮继续转动时，可用快速手动来实现输出轴超越蜗轮的运动。

2.2.2槽轮机构

1.槽轮机构的工作原理

槽轮机构的工作原理如图2-5所示。

当拨盘上的圆柱销没有进入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁止弧面被拨盘上的外凸锁弧面卡住，槽轮静止不动。

当圆柱销进入槽轮的径向槽时，锁止弧面被松开，则圆柱销驱动槽轮转动。

当拨盘上的圆柱销离开径向槽时，下一个锁止弧面又被卡住，槽轮又静止不动。

由此将主动件的连续转动转换为从动槽轮的间歇运动。

图2-5槽轮机构

2.槽轮机构的类型、特点及应用

槽轮机构有外啮合和内啮合之分（均属于平面槽轮机构），此外，还有空间槽轮机构。

它的优点是：

结构简单、工作可靠、机械效率高，能较平稳、间歇地进行转位。

它的缺点是：

圆柱销突然进入与脱离径向槽，传动存在存在柔性冲击。

此外，槽轮的转角不可调节，只能用在定转角场合，一般应用于转速不高的场合，如自动机械、轻工机械、仪器仪表等。

3.槽轮机构的分类

槽轮机构又称马尔他机构。

它常被用来将主动件的连续运动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。

槽轮机构主要你分为传动平行周运动的平面槽轮机构和传递相交轴运动的空间槽轮机构两大类。

（1）平面槽轮机构

平面槽轮机构又分为外齿轮机构和内齿轮机构。

外齿轮机构中的槽轮径向的开口是自圆心向外，主动构件与从动槽轮转向相反。

内槽轮机构中的槽轮上径向槽的开口是向着圆心的，主动构件与从动槽轮转向相同。

上述两种槽轮机构都用于传递平行轴运动。

与外槽轮机构相比，内槽轮机构传动较平稳、停歇时间较短、所占空间小。

（2）空间槽轮机构

球面槽轮机构是一种典型的空间槽轮机构，用于传递两垂直相交轴的间歇运动机构。

其从动槽轮是半球形，主动构件的轴线与销的轴线都通过球心。

当主动构件连续运动时，球面槽轮得到间歇运动。

空间槽轮机构机构比较复杂，设计和制造难度较大。

2.3齿轮传动

1.齿轮传动的特点

齿轮传动是机械传动中应用得最广泛和最重要的一种机械运动。

齿轮传动与其他机械传动相比，依靠两轮轮齿之间直接接触的啮合传动，用以传递空间任意两轴间的运动和动力，传递速度可达300m/s，传递功率可达106kw,广泛应用于矿山、冶金、汽车、飞机、起重机、机床等各种机械中。

齿轮传动具有以下特点。

（1）传动准确可靠

齿轮传动能保持传动比恒定不变，因而传动平稳，冲击、振动和噪音较小。

又因齿轮传动是靠齿轮依次啮合来传递运动和动力，不会发生弹性滑动和打滑现象。

（2）传动效率高、工作寿命长

齿轮传动的机械效率可达0.95～0.99，且能可靠地连续工作几年甚至几十年。

（3）结构紧凑，功率和速度范围广

与其他传动相比，在传递功率相同的情况下，齿轮传动所占空间位置较小，而且齿轮传动所传递的功率和速度范围都较大。

（4）成本较高，不适宜两轴中心距过大的传动齿轮的制造和安装精度要求较高，因而成本也较高。

另外，当两轴中心距过大时，齿轮的径向尺寸会很大或者齿轮的个数要多，致使结构庞大，这是齿轮传动的主要缺点。

2.齿轮传动类型

（1）圆柱齿轮传动　

用于平行轴间的传动，一般传动比单级可到8,最大20，两级可到45,最大60，三级可到200，最大300。

传递功率可到10万千瓦,转速可到10万转/分，圆周速度可到300米/秒。

单级效率为0.96～0.99。

直齿轮传动适用于中、低速传动。

斜齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。

人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。

圆柱齿轮传动的啮合形式有3种:

外啮合齿轮传动，由两个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；

内啮合齿轮传