机械设计制造及自动化毕业论文气动机械手的设计及其控制文档格式.docx

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机械手部分包括机械手的发展，种类和机械手的选用。

PLC部分包括PLC的简介和发展概况，及PLC的工作原理。

然后将现场的机械手，PLC和控制用的个人计算机连接组成一个完整的控制系统，再通过软件进行编程，使机械手完全根据控制要求动作。

在本设计中，机械手移动工件通过限位开关和电机来控制。

预期达到的控制要求为：

（1）机械手分别通过前进/后退电机、上升/下降电机的正反转来上、下、左、右移动，移动的最大位置通过上、下、左、右4个限位开关控制。

（2）夹放工件通过夹紧/放下电机的正反转来控制。

夹紧工件通过定时器来控制，即凭经验设定一个时间，在这个时间内，机械手能完全夹紧工件。

放下工件通过松限位开关来控制。

（3）按下启动按钮，整个系统按照PLC程序的设定有序的运行；

正常停车时，按下正常停车按钮，等机械手运行到初始位置，停车。

当按下急停按钮时，系统不管运行到什么状态，都要立即停止。

三、研究进度

1．5—6周硬件部分机械手研究和设计；

2．7—8周硬件部分PLC工作原理学习和研究；

3．9—10周将PLC与控制设备组成系统设计；

4．11—12周编程软件学习，系统资源分配研究；

5．13—14周软件部分设计，其中包括各个环节的梯形图和语句表设计；

6．15周整理修改论文；

四、主要参考文献

[1]求是科技编著.PLC应用开发技术与工程实践.北京：

人民邮电出版社,2005

[2]陈立定主编.电气控制与可编程序控制器的原理及应用.北京：

机械工业出版社，2004

[3]袁任光主编.可编程序控制器选用手册.北京：

机械工业出版社，2002

[4]周军主编.电气控制及PLC.北京：

机械工业出版社，2001

[5]王卫兵主编.PLC系统通信、扩展与网络互连技术.北京：

[6]MitsubishiElectric.FX2N—10GM/20GMHardware/Programming.Manual，1999（12）

[7]MitsubishiElectric.CC—LinkManual,2001

[8]三菱电极.FX2N系列可编程控制器编程手册，2006（6）

[9]钟肇新主编.可编程控制器原理及应用.广州：

华南理工大学出版社，2003

[10]吕景泉等.可编程控制器技术教程.北京：

高等教育出版社，2001

五、指导教师意见

指导教师签字：

摘要

在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。

自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。

机械手可在空间抓、放、搬运物体，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。

机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。

本设计所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。

电气方面有可编程控制器（PLC）、编程器、电磁阀等部件。

由主机发出指令来实现对手臂的伸缩、上下、转动位置的控制；

主机发信号到气动电磁阀，以控制手爪的张合来抓放物体。

本设计可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，具有很大的灵活性和可操作性。

关键词：

可编程控制器；

机械手；

电磁阀

Abstract

Intheindustrialproductionandotherfields,peopleoftenendangeredbysuchfactorsashightemperature,corrode,poisonousgasandsoforthatwork,whichhaveincreasedlaborintensityandevenjeopardizedthelifesometimes.Thecorrespondingproblemsaresolvedsincetherobotarmcomesout.Therobotarmscancatch,putandcarryobjects,anditsmovementsareflexibleanddiversified.Itappliestomediumandsmall-scaleautomatedproductioninwhichproductionvarietiescanbeswitched.Anditiswidelyusedonsoftautomaticline.Therobotarmsaregenerallymadebywithstandhightemperatures,resistcorrosionofmaterialstoadapttotheharshenvironment.Sotheyreducedthelaborintensityoftheworkerssignificantlyandraisedworkefficiency.Therobotarmisanimportantcomponentofindustrialrobots,anditcanbecalledindustrialrobotsonmanyoccasions.Industrialrobotissetmachinery,electronics,control,computers,sensors,artificialintelligenceandotheradvancedtechnologiesintheintegrationofmultidisciplinaryimportantmodernmanufacturingequipment.Widelyusingindustrialrobots,notonlycanimproveproductqualityandproduction,butalsoisofgreatsignificanceforphysicalsecurityprotection,improvementoftheenvironmentforlabor,reducinglaborintensity,improvementoflaborproductivity,rawmaterialconsumptionsavingsandloweringproductioncosts.

Therearesuchmechanicalcomponentsasballfootbridge,slides,anaircontrolmechanicalhandandsooninthedesign.Aprogrammablecontroller,aprogrammingdevice,andelectromagnetismvalveareusedinelectricalconnection.Themainframesendsignalstocontroltheopeningandclosingofthehandtocarryobjects.Relatedparameterscanbechangedaccordingtorequestofthechangesoftheobjectsandmovementflowatanytimechangetherelevantparametersinthedesign,soithasgreatflexibilityandoperability.

Keywords:

Programmablecontroller;

Robotarm;

electromagnetismvalve

前言……………………………………………………………………………1

1机械手……………………………………………………………………………2

1.1机械手概况……………………………………………………………………2

1.1.1机械手发展概况……………………………………………………………2

1.1.2对机械手的一般要求………………………………………………………2

1.1.3机械手的发展趋势…………………………………………………………3

1.2机械手的组成、分类及型式…………………………………………………3

1.2.1组成…………………………………………………………………………3

1.2.2分类…………………………………………………………………………4

1.2.3基本型式……………………………………………………………………5

1.3机械手移动工件控制系统……………………………………………………5

1.3.1机械手移动工件的基本结构、工作流程及工作原理……………………6

1.3.2设备控制要求………………………………………………………………8

2PLC……………………………………………………………………………9

2.1PLC简介……………………………………………………………………9

2.2PLC发展趋势………………………………………………………………10

2.3PLC的结构和工作原理……………………………………………………10

2.3.1PLC的组成…………………………………………………………………10

2.3.2PLC程序的表达方式………………………………………………………13

2.3.3PLC的工作方式……………………………………………………………14

3机械手移动工件控制系统的PLC选型及系统连接…………………………18

3.1控制系统构成图……………………………………………………………18

3.2PLC模块选型及介绍………………………………………………………18

3.3I/O地址分配及外部配线……………………………………………………19

4安装维护………………………………………………………………………21

4.1扩展设备组成…………………………………………………………………21

4.2现场环境………………………………………………………………………21

4.3安装工程………………………………………………………………………22

4.3.1安装注意事项………………………………………………………………22

4.3.2配线方面的注意事项………………………………………………………23

5机械手移动工件控制系统程序设计…………………………………………24

5.1编程软件及应用………………………………………………………………24

5.2程序流程图……………………………………………………………………24

6机械手移动工件控制系统PLC程序…………………………………………26

6.1系统资源分配…………………………………………………………………26

6.2源程序…………………………………………………………………………28

6.2.1总体安排……………………………………………………………………28

6.2.2手动操作程序………………………………………………………………29

6.2.3自动操作程序………………………………………………………………30

6.2.4操作系统总程序……………………………………………………………33

7技术经济分析…………………………………………………………………37

7.1需求分析………………………………………………………………………37

7.2控制系统的经济特点………………………………………………………37

8结论…………………………………………………………………………40

致谢………………………………………………………………………………41

参考文献………………………………………………………………………42

附录A译文……………………………………………………………………43附录B外文文献………………………………………………………………52

1绪论

1．1机械手概述

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、

搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;

尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

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。

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。

各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

图1-1机械手的组成方框图

（一）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

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部。

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，常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。

吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式.

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。

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。

此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。

导向装置结构形式，常用的有:

单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。

4、立柱

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。

机械丰的立往通常为固定不动的，但机械手的立柱是支承手臂的部件，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。

滚轮式行走机构可分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。

（二）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。

通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动。

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。

（四）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。

（一）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，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。

在规格性能范围内，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。

（二）按驱动方式分

1、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

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

介质来源极为方便，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

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，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

它常被用于工作主机的上、下料。

4、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机械手，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。

（三）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