机械手设计项目技术报告.docx

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机械手设计项目技术报告

工业机械手控制系统的

设计、安装和调试

概要

本文介绍了搬运物品工业机械手的设计，以PLC实现程序控制，从而控制电磁阀的换向，以气压传动作为传动机构，以光电式及电磁式接近开关检测汽缸的伸出、缩回、上升﹑下降﹑旋转﹑夹紧﹑放松七个动作。

本次实训项目通过制定机械手总体控制方式，计算并选择机械手安装所需的元器件，设计工业机械手系统硬件并绘制与之相对应得硬件原理图，设计系统软件完成输入/输出的地址分配，绘制流程图或顺序功能图，整体式机械手PLC控制系统的安装与调试，机械手能模仿人手和手臂的某些动作功能，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、电工、轻工和原子能等部门。

2

概要................................................................2

前言................................................................3

第一章项目概述..................................................4

1．1项目任务...................................................4

1．2项目要求...................................................4

1.2.1动作顺序...............................................4

1.2.2控制模式...............................................4

第二章机械手的介绍....................................5

2.1机械手的发展.................................................5

2.2机械手的特点.................................................6

2.3机械手的应用.................................................6

第三章技术分析.............................,,.....................7

3．1样机的总体结构..............................................7

3．2机械手的工作原理............................................7

3．3机械手的控制要求............................................7

3．4机械手的动作顺序............................................8

3．5总体的控制方案..............................................9

3.6组员任务分配................................................13

第四章电气控制系统原理图的设计..................................14

4.1输入/输出地址分配表........................................14

4.2机械手的硬件系统原理图......................................15

4.3元器件的选型及计算..........................................16

第五章电气系统PLC程序设计....................................18

5.1机械手的顺序功能图（见附录1）...............................18

5.2机械手的控制程序.............................................18

第六章安装与调试..............................................19

6．1安装......................................................20

6．2系统调试...................................................21

6.3故障分析与排除.............................................25

结论...............................................................22

致谢...............................................................23

参考文献..........................................................24

附录一............................................................25

附录二............................................................26

前言

本实训项目通过对工业机械手总体方案的设计;绘制工业机械手的气动原理图;绘制工业机械手的PLC外部接线图;列出元器件明细表及输入输出地址分配表;绘制主程序的功能流程图;写出PLC程序设计;上机调试,列出系统安装故障分析表及检查验收表等环节,使之设计成为一个可以实现伸缩,升降,旋转,夹放动作的机械手.

本报告正是以实训项目为载体,对实训项目中所用到的软硬件主要技术进行阐述.

3

第一章项目概述

1.1项目任务

1.1.1项目名称

搬运物品工业机械手控制系统的设计、安装和调试

1.1.2项目目标

通过本项目课程的学习与训练，是学生在前期课程学习中已掌握了机电设备常用机构的测绘与设计。

常规电气及气动控制系统原理图的设计及元器件的选用与安装调试能力的基础上，着重培养学生完成一个典型机电产品项目完整工作过程的综合职业能力：

（1）机电产品控制系统硬件的设计能力；

（2）控制系统软件的设计能力；（3）元器件的选型计算能力；（4）系统的安装与调试能力；（5）项目完成后技术报告的撰写能力。

1.2项目要求

1.2.1动作顺序

大臂横向伸出→小臂下降→机械手夹紧→小臂上升→大臂横向缩回→大臂水平右旋→大臂横向伸出→小臂下降→机械手放松→小臂上升→大臂横向缩回→大臂水平左旋（回到原位）

1.2.2控制模式

（1）（全）自动模式——操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到（全）自动模式，按下启动按钮，机械手开始自动完成动作循环，在第一个动作循环完成后自动接着进行第二个动作循环，并且一直这样进行下去，直至操作员按下停止按钮或急停按钮。

（2）半自动模式——操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到半自动模式，按下启动按钮，机械手开始自动完成动作循环，一个动作循环完成后机械手自动停止在原位待命。

（3）单动模式——操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到单动模式，按下启动按钮，机械手开始完成动作循环中的第一步动作，该动作完成后机械手自动停止，既不自动进行第二步动作，也不回到在原位待命。

操作员再按一下启动按钮，机械手就接着再做一步动作。

要完成一个动作循环，需由操作员按12次启动按钮。

（4）复位模式——操作员先将控制面板上的模式选择开关切换到复位模式，按下复位按钮，机械手无论位于何处，都能自动回到原位待命。

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第二章机械手的介绍

2.1机械手的发展

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手首先是从美国开始研制的机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

5

2.2机械手的特点

工业机械手是工业生产的必然产物.它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备.它的他优点很多,例如:

可对应多种控制的水平多关节机械手不但具有高质量、低价格的优点，还可以高效、高精度的进行立体的搬运、挑选、插入、排列、涂布、装配等工作。

1、丰富的I/O命令能进行多种控制

2、SUPER SEL语言可以使多任务程序简单

3、32bit RISC CPU实现超高精度的多轴操作

4、可进行机械手控制、周边元件、操作盘的并列动作而不需要程序控制器

5、10级无尘室产品已经系列化　

6、最高级的高速、高精度、高可搬运

2.3机械手的应用.

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

 此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。

如：

气动自

动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci外科手术机器人等。

6

第三章技术分析

3．1样机的总体结构

3．2机械手的工作原理

用PLC实现电磁阀的换向，以气压作为传动介质，实现汽缸伸出、缩回等动作。

用传感器检测汽缸动作是否到位。

3．3机械手的控制要求

系统设有单周期、单步、连续和复位4种工作方式：

单周期：

选择开关1打向左边。

单步：

选择开关2打向左边。

7

连续工作：

选择开关1打向右边。

回原点：

选择开关2打向右边。

启动：

绿灯急停：

旋转按钮停止：

红灯复位：

黄灯

机械手在最上面，大臂是缩回状态，摆动汽缸在左边，夹紧装置松开，为系统的原点状态（初始状态）。

如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，然后按复位按钮I1.1，使系统自动返回原点状态。

在单周期工作方式，在初始状态按下启动按钮I1.0后，从初始步M0.0开始，机械手按顺序功能图的规定完成一个周期的工作后，返回并停留在初始步。

在连续工作方式，在初始状态按下启动按钮，机械手从初始步开始，工作一个周期后又开始搬运下一个工件，反复连续地工作。

按下停止按钮，并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。

在单步工作方式，从初始步开始，按一下启动按钮，系统转换到下一步，完成该步的任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮，才开始执行下一步的操作。

3．4机械手的动作顺序

大臂横向伸出→小臂下降→机械手夹紧→小臂上升→大臂横向缩回→大臂水平右旋→大臂横向伸出→小臂下降→机械手放松→小臂上升→

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大臂横向缩回→大臂水平左旋（回到原位）

3．5总体的控制方案

气动机械手主要使用PLC进行气动控制，通过PC机编程下载到PLC中进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算数运算等操作指令，从而控制电磁阀处于左位或右位。

控制电磁阀通路情况及汽缸的伸出、旋转及缩回。

实现逻辑运算、定时、计数等操作指令时，也可以用单片机实现。

但单片机在很大程度上需要调试周期、性能在短时间内不太稳定，且它是一个芯片，需要开发后才能用于实际当中。

而PLC则比较成熟了。

气动控制主要作为传动机构来控制手爪的抓紧、松开，旋转汽缸的旋转，以及大小臂的伸缩。

传动机构还可以用液压传动和机械传动来实现，但液压传动机构复杂，且需要其他材料作为工作介质，成本高；而机械传动结构复杂，气压传动结构简单，介质不需要成本，处理方便、无污染、动作迅速、维护方便、工作环境适应性好、成本低且过载能自动保护。

用光电式及电磁式接近开关检测汽缸的伸出、缩回、机械手的夹紧、松开以及旋转汽缸的位置。

但检测机构也可以用其他行程开关其定位精度不高、灵敏度差。

与之相对接近开关工作可靠，寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高，可以适应多种恶劣的工作环境。

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控制程序（草图）：

主程序：

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11

12

3.6组员任务分配.

实施内容

负责人

项目开题

教师讲解项目

小组全员参加

设计总体方案

个人设计总体控制方案，小组讨论与互评总结

小组全员参加

制定计划分工

小组分工与计划安排

王居森

系统技术设计

元器件的参数计算

陈伟

元器件的选型

陈鹏飞

编制元器件细明表

常欢

系统程序设计

小组全员参加

系统安装调试

线路安装

王居森、赵桃、刘汉杰

系统调试

闻娇、李婷、吴星

系统检查

老师检查验收

小组全员参加

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第四章电气控制系统原理图的设计

4.1输入/输出地址分配表

名称

地址

功能

回转缸左位检测SQ1

I0.0

“1”到左位

回转缸右位检测SQ2

I0.1

“1”到右位

收缩缸缩回检测SQ3

I0.2

“1”缩回

伸缩缸伸出检测SQ4

I0.3

“1”伸出

气爪位置检测SQ5

I0.4

“0”不夹紧

上下缸上位检测SQ6

I0.5

“1”在上位

上下缸下位检测SQ7

I0.6

“1”在下位

开始SB1

I1.0

开始按钮

停止SB2

I1.5

停止按钮

复位SB3

I1.1

复位按钮

自动/手动SB4

I1.3

“0”自动，“1”手动

自动/半自动SB5

I2.0

“0”自动，“1”半自动

回转缸左摆Y1

Q0.0

“1”左摆

回转缸右摆Y2

Q0.1

“1”右摆

伸缩缸缩回Y3

Q0.2

“1”缩回

伸缩缸伸出Y4

Q0.3

“1”伸出

爪放松Y5

Q0.4

“1”放松

爪抓紧Y6

Q0.5

“1”夹紧

上下缸下降Y7

Q0.6

“1”下降

开始指示灯L1`

Q1.0

请求启动

复位指示灯L2

Q1.1

请求复位

自动指示灯L3

Q1.2

指示自动状态

停止指示灯L4

Q1.3

指示停止状态

14

4.2机械手的硬件系统原理图

15

4.3元器件的选型及计算

一、根据查找相关资料，气缸的选型的有关计算。

1，摆动缸选用CRB/W50-180s，最大摆动角度为180°，摆动时间为0.27″，基本行程为180mm。

2，水平缸选用QGEWR20N3002-T-2，最短行程为37mm。

3，伸缩缸选用CDJ2B16-60R-B,行程为60mm。

4，上下缸选用MA22系列单作用缸，该气缸处于常开状态，缸径为20mm，夹持外径为28mm，总开闭行程为10mm。

5，缸筒壁厚的计算δ=DP/26P（m）按上述公式计算出的壁厚都很薄，从工艺考虑一般予以加厚。

6，活塞杆直径参考值d

气缸压力p（ma）<22-55~10

活塞直径（0.2-0.3）D0.5D0.7D（活塞杆直径圆整成标准值）

7，活塞杆上作用力推力F（pa）=0.65*D*D*P

二、

（1）开关电源的计算

由控制电路可知，输入220V交流电，输出24V直流电。

根据P=UI，算得I=14×12/24=7A

所以选型号为4B1FA2A-1379输入220V，，输出（24V，15A）的开关电源。

（2）变压器的选择

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根据变压器副边所带负载容量P=12X7+6.3X0.25X4=112.8<200W.

可以选择BK-200VA380/220的控制电路电源变压器。

（3）断路器的选择

根据低压断路器的额定电压和电流应不小于电路正常工作电压和电流。

P=

UI→I=1.5×200/1.732/380＝0.46A

计算后的电流再放大1.5倍为0.46×1.5=0.69A，所以，选择D215-40/2901的低压断路

检测工件是有色或无色（黑色），选择光电传感器SQ7，上海巨马电路有限公司的JM-24250系列。

三、电源块的选择

CPU226输入电压20.4-28.8VDC/85-264VAC，输入电流仅CPU24VDC，150mA，最大负载24VDC，1050mA；80140Mal1201240VAC最大负载3201160Ma1201240vAC.

在实现控制中，电源模式选择了JN162416，此电源模式优点为：

结构紧凑，功能强大，它是由几个继电器组合而成，能够满足多种功能的要求。

四、控制按钮的选型

根据本单元需要完成的功能，为达到其控制目的，需选择8个按钮，其中开始，复位，特殊，停止按钮只需完成单控功能，故SB1,SB2,SB3,SB4为普通按钮，而S1，S2需完成双控制作用，所以必须选择双限位开关，JT1为蘑菇头按钮为可拨按钮或按下的按钮的动作用。

名称颜色施耐德代号施耐德

开始绿XB6-CW3B1BSB1XB2-BW33M1C

复位绿XB6-CW3B1BSB2XB2-BW33M1C

特殊绿XB6-CW3B1BSB3XB2-BW33M1C

停止黑XB6-CA31BSB4XB2-BA4341C

上电蓝XB6-CA31BSB5XB2-BA4341C

自动-手动黑XB6-CD221BS1XB2-BD21C

联网-特殊黑XB6-CD221BS2XB2-BD21C

急停红ZBZ-BTCJT1XB2-BT22C

五、电磁阀的选择

选择三位四通的电磁阀从而实现摆动缸，伸缩缸，上下缸和气爪缸的动作。

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第五章电气系统PLC程序设计

5.1机械手的顺序功能图（见附录1）

5.2机械手的控制程序

动作

电磁阀

序号

名称

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

1

原位

—

—

—

—

—

—

—

2

大臂伸出

—

—

+

—

—

—

—

3

小臂下降

—

—

+

—

+

—

—

4

气爪夹紧

—

—

+

—

+

+

—

5

小臂上升

—

—

+

—

+

—

6

大臂缩回

—

—

—

+

—

+

—

7

向右旋转

+

—

—

+

—

+

—

8

大臂伸出

+

—

+

—

—

+

—

9

小臂下降

+

—

+

—

+

+

—

10

气爪放松

+

—

+

—

+

—

+

11

小臂上升

+

—

+

—

—

—

+

12

大臂缩回

+

—

—

+

—

—

+

13

向左旋转

—

—

—

—

—

—

+

18

第六章安装与调试

6．1安装

安装要对之前首先要对所有的元器件进行了解，规格、安装环境等等。

每种工业设备对外部环境都有特定的要求，PLC的安装也不例外。

如果不满足安装环境的要求，可能不会影响PLC的正常功能，但会影响PLC的可靠性和使用寿命。

虽然PLC的适应性很强，适宜于比较恶劣的工厂环境，但并不是说PLC在所有场合都能正常有效地进行工作。

而在PLC易遭受到静电、强电磁场或其他干扰的场合，应采取相应的静电防护，磁场屏蔽以及抗干扰措施。

在PLC可能遭受到放射源辐射的场合，应对辐射源做好屏蔽措施。

PLC不能安装在装有高压设备的控制屏上，当PLC位置靠近供电线时，PLC的安装位置至少里电源线200mm以上。

为了确保PLC不至于过热，需要考虑机架之间的净空距离和采用风扇进行冷却。

如果PLC的外部环境温度高于规定值或将PLC安装在封闭的机箱之内，就需安装风扇进行冷却。

实验室调试完成后，待条件成熟，将设备移至现场安装。

安装时应符合要求，插件插入牢靠，并用螺栓紧固；通信电缆要统一型号，不能混用，必要时要用仪器检查线路信号衰减量，其衰减值不超过技术资料提出的指标；测量主机、I/O柜、连接电缆等的对地绝缘电阻；测量系统专用接地的接地电阻；检查供电电源等等，并做好记录，待确认所有各项均符合要求后，才可通电开机。

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6．2系统调试

PLC控制系统的安装与调试，涉及到各项工作，并且只能按序进行，一环紧扣一环，稍有不慎都将导致调试失败，不但延误工期，甚至会损坏设备。

本文介绍了在现场实践中总结出的PLC控制系统的安装与调试技术经验，并对现场经常出现的安装、调试相关问题，提出探讨意见和解决方案。

.现场工艺设备接线、I/O接点及信号的检查与调整

   对现场各工艺设备的控制回路、主回路接线的正确性进行检查并确认，在手动方式下进行单体试车；对进入PLC系统的全部输入点（包括转换开关、按钮、继电器与接触器触点，限位开关、仪表的位式调试开关等）及其与PLC输入模块的连线进行检查并反复操作，确认其正确性；对接收PLC输出的全部继电器、接触器线圈及其他执行元件及他们与输出模块的连线进行检查，确认其正确性；测量并记录其回路电阻，对地绝缘电阻，必要时应按输出节点的电源电压等级，向输出回路供电，以确保输出回路未短路，否则，当输出点向输出回路送电时，会因短路而烧坏模块。

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6.3故障分析与排除

系统故障分析表

序号

出现的问题

原因分析

解决方法

1

开始按钮不亮

开始按钮接错

把按钮调换过来

2

复位没法执行

复位程序没工作

从新设置程序

3

5

6

7