完整版基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制毕业论文.docx

完整版基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制毕业论文.docx

《完整版基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制毕业论文.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

完整版基于PLC的三自由度气动机械手搬运控制毕业论文

课程设计（报告）

题目：

基于PLC的三自由度气动机

械手搬运控制

学院：

机电工程学院

专业班级：

11级机械工程及自动化02班

指导教师：

肖渊职称：

副教授

学生姓名：

尹博

学号：

摘要

机械手是一种模拟人手操作的自动机械。

它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。

把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。

而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，用气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术，从而进行机械手的研究设计是非常有意义的。

本文主要研究基于PLC的三自由度气动机械手的搬运控制，由PLC输出脉冲，控制电磁阀的方向，从而控制机械手的精确定位，限位开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过气缸的伸缩来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对IO点的接线稍作修改，或对IO重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。

经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

关键词：

气动机械手,汽缸,PLC,程序指令

目录

第1章.绪论3

1.1气动技术及气动机械手的发展现状3

1.2机械手的未来发展趋势3

1.3选题的意义4

1.4研究内容及结构安排5

1.5课题研究的要求5

第2章.系统的总体方案设计6

2.1设计要求和任务6

2.2方案设计6

第3章.系统的硬件设计8

3.1基本结构设计8

3.1.1机械手的坐标形式与自由度8

3.1.2机械手的手爪设计8

3.1.3机械手的手臂结构设计8

3.1.4机械手的驱动方式选择8

3.1.5机械手机构设计（三维图）8

3.2可编程控制器PLC的选择9

3.3系统的硬件设计10

3.4PLC输出点配置表11

3.5三自由度气动机械手搬运接线图12

第4章系统软件设计14

4.1程序流程图14

4.2各个阶段程序梯形图14

第5章系统验证和调试20

5.1设备选取20

5.2验证和调试过程20

5.2.1初始化阶段20

5.2.2机械手单元20

5.3验证结论21

总结22

参考文献23

第1章.绪论

1.1气动技术及气动机械手的发展现状

近20年来,气动技术的应用领域迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合,使整个系统自动化程度更高,控制方式更灵活,性能更加可靠;气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多更高的要求;微电子技术的引入,促进了电气比例伺服技术的发展,现代控制理论的发展,使气动技术从开环控制进入闭环比例伺服控制,控制精度不断提高;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点,国内外都在大力开发研究。

机械手根据其驱动方式可分为气压传动式、液压传动式、电气传动式和机械传动式。

气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点。

应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

由于气压传动系统使用安全、可靠,可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。

而气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以,气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工,食品和药品的包装、精密仪器和军事上。

现代汽车制造工厂的生产线,尤其是主要工艺的焊接生产线,大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动;车身外壳被真空吸盘吸起和放下,在指定工位的夹紧和定位;点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊,都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化,堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

1.2机械手的未来发展趋势

国内外机械手领域发展近几年有如下几个趋势：

（1） 工业机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。

1.3选题的意义

气动技术——这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。

目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。

另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代工业生产领域。

在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。

工业自动化技术发展至今，气动定位系统已由传统的两点可靠定位，发展到任意位置定位。

传统的气动系统只能在两个机械调定位置可靠定位，并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定的状态，经常无法满足许多设备的自动控制要求。

因而电—气比例和伺服控制系统，特别是定位系统得到了越来越广泛的应用。

因为采用电—气伺服定位系统可非常方便地实现多点无极定位（柔性定位）和无极调速[4]，此外利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式，可以达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。

原先要设计某一专用机械手时，由于无法做到气缸任意位置上的定位，因此气缸的定位是靠选择它的两个终点位置来实现的。

如选用多位气缸，他的定位长度由气缸的行程预先来确定。

如果需要增加一个停顿位置，或者要改变其中两个位置之间的距离，原来设计的多位气缸便完全失去功能，如果要求停的位置越多，那么它的滑块导向机构设计就越复杂。

也有在其外部设立固定挡块来限制位置定位的（由于受到挡块本身尺寸的限制，两个相邻的位置的距离必须大于挡块的尺寸，且挡块也经不起重载和高速冲击。

而我国由于相应的技术发展相对较晚，工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.4研究内容及结构安排

本文的研究内容如下：

本文主要研究基于PLC的三自由度气动机械手的搬运控制，由PLC输出脉冲，控制电磁阀的方向，从而控制机械手的精确定位，限位开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过气缸的伸缩来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对IO点的接线稍作修改，或对IO重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。

经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

本文的结构安排如下：

第一章绪论，介绍气动技术及机械手的发展状况、机械手未来的发展趋势、本文的选题意义、研究内容及结构安排。

第二章系统总体方案设计，本章主要内容是控制系统的方案设计，首先是对整体的方案进行选择与设计，再针对各个模块进行具体的方案论证及设计。

第三章系统硬件设计，在选定各个模块的方案中，对各方案的用到的主要芯片进行简单功能介绍及应用，并且给出了本设计的PLC接线图。

第四章系统软件设计，本章主要是介绍控制系统的软件设计，给出了本次设计的主程序流程图及一些模块的子程序图。

第五章系统验证，对设计的控制系统和利用实验室装置进行实验和调试，找出问题并进行修改。

最后，对本次的研究课题的主要工作及结果做出了总结与讨论，并且指出了本次研究工作中存在的不足和发现的一些问题。

1.5课题研究的要求

（1）查阅相关资料，了解有关启动机械手设计的一些必要知识；

（2）了解各种元器件的原理及其在电路中的作用，绘制出电路原理图；

（3）复习在学校里所学的知识，并且联系实际，想好设计方案等等。

第2章.系统的总体方案设计

2.1设计要求和任务

熟悉上料机器人控制系统的工作过程及工艺，分析该系统的控制特点和方法，确定合理的控制方案。

（1）在确定控制系统方案的基础上，选择合适的检测和执行元件；

（2）对控制系统硬件及电气原理图进行设计；

（3）熟悉相关硬件的控制方法；

（4）编写系统控制软件；

（5）进行系统控制实验研究，对系统功能进行验证。

2.2方案设计

根据设计要求，即实现用PLC控制机械手自动从旋转料库上取工件，放到下一工作单元。

可以大致将其动作分为下面的几步来进行：

（1）机械手复位到原始位置；

（2）从原始位置机械手开始下降；

（3）机械手下降到指定位置，机械手伸出；

（4）机械手伸出之后，机械手加紧；

（5）机械手夹紧之后，机械手开始上升；

（6）机械手上升到指定位置，机械手缩回；

（7）机械手顺时针旋转90度到达指定位置，机械手开始前进动作；

（8）机械手前进到指定位置，机械手开始下降；

（9）机械手下降到指定位置，机械手开始放松；

（10）机械手放开工件后，机械手开始上升；

（11）机械手上升到指定位置，机械手开始后退；

（12）机械手后退到指定位置，机械手逆时针旋转；

（13）机械手逆时针旋转90度后，到达开始时的位置，复位完成，一个工作循环完成。

主要工作流程图如图2-1所示：

第3章.系统的硬件设计

3.1基本结构设计

3.1.1机械手的坐标形式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。

由于本机械手在上下料时手臂具有水平旋转、垂直升降和水平伸缩三个运动，因此，采用直角坐标式。

相应的机械手具有三个自由度。

3.1.2机械手的手爪设计

考虑到使上料机械手所上的工件，把机械手的手部结构设计成使用夹持式手部；而且因为工件是标准形式，所以手腕部分不用另外设计。

3.1.3机械手的手臂结构设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的水平旋转、垂直升降和水平伸缩运动。

手臂的旋转和升降运动是通过立柱来