毕业设计论文机械手自动控制设计.docx
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毕业设计论文机械手自动控制设计
2011届机电一体化专业（09级机电3班）毕业设计任务书
-----机械手动作的控制
一、任务描述
机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，有些操作装置需要由人直接操纵。
二、设计目的
通过本次设计让学生了解一般PLC控制系统设计的过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法，同时也是对既往知识的复习、巩固和灵活应用的过程，可以提高学生的整体观，为今后走向工作岗位提供实践经验。
三、控制任务和一般要求
示意图中为一个机械手取与放的搬运系统，原点为左上方所达到的极限位置，搬运过程是机械手将工件由A传送到B。
分别设计出手动和自动控制的程序。
1.上升和下降，左移和右移的执行均由双线圈二位电磁阀推动气缸来完成。
2.当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一但下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使此时线圈断电，机械手要仍然要保持现有的下降动作状态，直到相反方向的电磁阀线圈通电为止。
3.夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电执行放松动作。
4.设备装有上、下限位和左、右限位开关；夹紧和放松可以由限位开关来实现也可以利用定时器来实现。
5.当工件处于B处上方准备下放时，为确保安全，用光电开关检测B处有无
工件，只有在B处无工件时才能发出下放信号。
四、设计问题提示
机械手工作过程动作的顺序：
机械手由原位—下降到A处—对工件进行夹紧（由定时器控制）—机械手上升（上升到位）—机械手右移（右移到位）（光电检测）—（B处没有工件时）机械手下降（到位）—工件放松（由定时器控制）—机械手上升（到位）—机械手左移（到位）—返回开始原位，一次循环结束。
机械手的工作方式具有手动、单步，单周期、连续和回原位五种工作方式，用开关进行选择。
下面列举4种：
1、手动工作
手动工作方式时，用各操作按钮来点动执行相应的各动作。
比如当机械手处在原位，按下下降起动按钮，机械手开始下降，下降到位后自动停下来；再按下夹紧起动按钮，开始对工件进行夹紧…
2、单步工作方式
每按一次起动按钮向前执行一步动作，只有一个起动按钮（而手动有多个起动按钮）。
3、单周期工作方式
机械手在原位，按下起动按钮，自动地执行一个工作周期的动作，最后返回原位（如果在动作过程中按下停止按钮，机械手停在该工序上，再按下起动按钮，则又从该工序继续工作，最后停在原位）。
4、连续工作方式
机械手在原位，按下起动按钮，机械手就连续重复进行工作（如果按下停止按钮，机械手运行到原位后停止）。
系统控制要求分析……………………………………（5）
主气路设计……………………………………………（7）
元件选择依据…………………………………………（8）
元件表…………………………………………………（10）
I∕O分配表……………………………………………（11）
接线图…………………………………………………（12）
PLC选型………………………………………………（13）
程序设计1……………………………………………（15）
程序设计2……………………………………………（20）
系统调试………………………………………………（25）
设计心得体会…………………………………………（27）
参考文献………………………………………………（28）
系统控制要求分析
启动：
（1）当设备通电后，选择单循环启动，此时设备开始运行，当左限位和上限位有信号时（即在初始位置，此时机械手只能向下或向右，但是要向右，机械手必须抓到货物，所以根据机械手的松紧状态来区分此处的信号）按下启动按钮，机械手向下运动，当运动到位（下限位有信号）后，复位向下的动作，同时触发机械手抓取的动作和机械手向上的动作（机械手向上的动作延迟抓取动作2S，以保证机械手抓取到位）。
当机械手向上动作到位后（上限位有信号）后，复位向上的动作，同时触发机械手向右的动作，当运动到位（右限位有信号）后，复位向右的动作（机械手在此位置时，可以向下或向左，所以根据机械手的松紧状态来区分此处的信号）。
同时触发向下的动作，当机械手向下动作到位后（下限位有信号）后，复位向上的动作，同时触发机械手释放的动作和机械手向上的动作（机械手向上的动作延迟释放动作2S，以保证机械手释放到位）。
当机械手再次运动到位后（上限位有信号）复位向上的信号，同时触发机械手向左的动作，当机械手运动到位后（右限位有信号），机械手回到了初始的位置，此时，一个循环结束，按下启动按钮后，设备继续运行。
（2）若设备通电后，选择手动启动，则是按下对应的按钮，机械手就会对应的动作
停止：
按下停止按钮后，机械手停在当前的动作，按下启动按钮后，机械手继续运行（因为机械手每部分触发动作的信号由RS触发器触发记忆，只有运动到位后，才会复位这些信号，所以当再次按下起动按钮后，尽管机械手不在触发的位置，但是已经保存了信号，机械手仍可继续运行。
同时也运用了RS触发器复位优先的原理，即当S端
和R端同时有信号时，取复位的信号）。
主气路图
元件选择依据
（1）气动元件的选择：
在机械手这个设计中，气动元件是执行机构，他们的性能对于整体工作的质量很重要，其中气缸更是更为紧要的地方，气缸是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。
工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。
根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。
由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。
若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。
在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。
考虑到此项目对气缸的要求，气缸应该要启动平稳，启动后不能有抖动或者爬行的现象，此外，气缸的缓冲问题，不好的气缸缓冲时间长，这将导致电磁阀线圈要不了多长时间，线圈会因为高频切换而产生温升，直到最后失效或者是烧毁，如果气缸本身不存在缓冲，那么对气缸的损伤也是很大的，所以气缸的抗高频工作的能力要好
（2）除去气缸外，电磁阀也是很重要的，二位五通电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。
电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。
纵观国内外电磁阀，到目前为止，从动作方式上可分为三大类即：
直动式、反冲式、先导式，而从阀瓣结构和材料上的不同以及原理上的区别反冲式又可分为：
膜片式反冲电磁阀、活塞式反冲电磁阀；先导式又可分为：
先导式膜片电磁阀、先导式活塞电磁阀；从阀座及密封材料上分又可分为：
软密封电磁阀、钢性密封电磁阀、半钢性密封电磁阀。
1、电磁阀安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致。
不可装在有直接滴水或溅水的地方。
电磁阀应垂直向上安装。
2、电磁阀应保证在电源电压为额定电压的15%-10%波动范围内正常工作。
3、电磁阀安装后，管道中不得有反向压差。
并需通电数次，使之适温后方可正式投入使用。
4、电磁阀安装前应彻底清洗管道。
通入的介质应无杂质。
阀前装过滤器。
5、电磁阀当发生故障或清洗时，为保证系统继续运行，应安装旁路装置。
综上决定采用FESTO的元件,FESTO是世界上最著名的气动元件、组件和系统的生产厂。
Festo产品质量优异、使用寿命长。
其特点是：
工作效率高、可靠性高、精确度高、安装便捷、安全性好。
最为重要的，Festo提供了最全面的气动、电动产品和相关服务，在气动及其关联领域内第一家从真正意义上实现了产品和服务的完全覆盖，实现了产品与服务完全来源自同一品牌。
元件表
序号
材料名称
规格型号
单位
数量
备注
1
调理装置
DS-PVR-LFRN
个
1
2
气源分配器
DS-PVB8+KC01-PK3
个
1
3
两位五通（双电控）
DS-PPVE-5\2-JMEH
个
2
4
两位三通（单电控）
DS-PPVE-3\2
JMEH
个
1
5
双作用气缸（电控）
DS-PAZ-DW20/100PPV
个
3
6
直流稳压电源24V
DER-NG115/230V-24V
个
1
7
磁感应接近开关
SMTO-4V-PS-S-LED-2
个
4
8
光电式传感器
DS-SOEG-RT-M18
个
1
9
气管
根
若干
10
节流阀
DS-PPV-GR
个
3
I/O分配表
名称
代号
操作数
备注
启动按钮
S0
I0.0
下限位
SQ1
I0.1
上限位
SQ2
I0.2
右限位
SQ3
I0.3
左限位
SQ4
I0.4
光电检测
SQ5
I0.5
停止按钮
S1
I0.6
手动按钮
S2
I1.0
单周期按钮
S3
I1.1
左行按钮
S4
I1.2
右行按钮
S5
I1.3
上行按钮
S6
I1.4
下行按钮
S7
I1.5
抓取按钮
S8
I1.6
释放按钮
S9
I1.7
下行动作
1M1
Q0.0
上行动作
1M2
Q0.1
气抓手动作
2M1
Q0.2
右行动作
3M1
Q0.3
左行动作
3M2
Q0.4
接线图
PLC选型
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC机型的选择
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
一合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
二安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
三相应的功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
四响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
综上，选择西门子S7-300PLC
程序1
下行程序
上行程序
右行程序
左行程序
机械手程序
程序2
系统调试
设备一开始运行时，由于考虑的不是很到位，停止后，再次启动，设备无法继续运行，这是由于催动着相应步骤的信号随着气缸的动作已经不存在了，所以又在这些催动信号加了记忆，直到下一个动作后才会失效。
此外为了避免手动信号与单周期信号出现冲突，所以在相应的动作前都加了手动或者单周期的先决条件，这样就可以区分手动与单周期的信号，从而不会产生误动作。
机械手的动作需要一个时间来使动作得以保证充分，所以后来加了延时，这样机械手的动作就得以得到保障。
设计心得体会
几周的PLC设计结束了，在这次的设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
PLC设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次设计，本人在多方面都有所提高。
通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次机械手设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了PLC设计等课程所学的内容，掌握机械手设计的方法和步骤，掌握机械手设计的基本的技能懂得了怎样分析程序的正确性，怎样确定程序方案，了解了气动的基本结构，提高了设计能力，分析能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
参考文献
电工电子技术林平勇高等教育出版社
液压传动与气动技术王强中国劳动社会保障出版社
传感器与自动检测技术吴旗高等教育出版社
机械设计成光韵高等教育出版社
深入浅出西门子S7-300PLC北京航空航天大学出版社
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