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plc控制的机械手设计大学论文

成人高等教育

毕业设计（论文）

题目PLC控制的机械手设计

学院机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化

年级2010级

姓名陈世威

指导教师刘建陈淑玲

（年月）

广东工业大学继续教育学院制

PLC控制的机械手设计

作者：

陈世威

指导老师：

刘建、陈淑玲

摘要

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。

通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。

机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。

机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。

它的特点是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人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。

现代生产过程中机械手被广泛的应用到自动生产线中。

机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。

机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。

本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件及软件设计。

关键词：

数控　自动装卸　机械手　PLC

PLCcontroldesignofmanipulator

Author:

ChenShiwei

Tutor:

LiuJian、ChenShuling

Abstract

Manipulatorisdevelopedinrecentdecadesashigh-techautomatedproductionequipment.Programmedtocompleteavarietyofactions,itsaccuracyandmultipledegreesoffreedomtoensuretherobotcanworkindifferentenvironments.Robotsareusedmostlyinindustrialproduction,theuseofmechanicalhandcansignificantlyimproveproductionefficiencyandreducewastecausedbyhumanfactorsdefectiverate.Robotscandoalotofwork,itisusedintheautomatedplantinthetransportationofmaterialsinavarietyofprocessoperation.Itischaracterizedbyavarietyofprogrammingtocompletethedesiredprogrammingoperation,thestructureandperformanceadvantagesofbothhumanandpartrobot,inparticular,reflecttheflexiblecoordinationofhumanandrobot'spreciseplace.

Robotautomationinthemechanicalgraduallydevelopedanewtypeofdevice.Manipulatormodernproductionprocesshasbeenwidelyappliedtoautomaticproductionline.Althoughtherobotasflexiblestaffing,butithasarepetitive,nofatigue,feardanger,thereisgreatpowersnatch,somoreandmorewidelyused.

Robottechnologyinvolvesmechanics,mechanics,automaticcontroltechnology,sensortechnology,electricalhydraulictechnology,computerprogrammabletechnology,isacross-disciplinarytechnology.

ThesubjectoftheexecutivebodycomposedbytheelectricalandhydraulicstructurewillbePLCbasedcontrolsystemusedinitscompletemanipulatorsystemhardwareandsoftwaredesign.

KeyWords：

NCAutomaticloadingandunloadingMechanicalhandPLC

目　录

摘要

Abstract

目录II

1概述1

1.1课题背景1

1.2机械手的发展2

2设计原理3

2.1操作原理简要说明3

2.2设备的控制方式4

2.3可编程控制器的选型6

2.4控制电源模块的选型7

2.5步进电机的选型7

2.5.1步进电机工作原理9

2.5.2步进电机的选择9

2.5.3步距角的选择9

2.5.4静力矩的选择9

2.5.5力矩与功率换算9

2.6步进驱动模块的选型10

2.7气爪的选型12

2.8传感器的选型12

2.9电磁阀的选型13

2.10气缸的选型13

2.11Firstair螺杆空压机的选型14

3控制系统的硬、软件设计15

3.1控制系统硬件设计15

3.1.1PLC外围接线图（见附录1）15

3.1.2Z轴气动、夹爪原理图15

3.2控制系统软件设计15

3.2.1I/O地址分配16

3.2.2控制程序梯形图17

4设计小结20

致谢21

参考文献22

附录123

附录224

1概述

1.1课题背景

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化的生产设备。

机械手是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，在全国经济各领域有着广阔的发展前景，随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时，大大提高了劳动生产率，但是数控加工中心加工中常见的上下料工序，通常乃采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。

前者费时费工，效力低；后者因设计复杂，需要较多继电器，接线复杂。

容易车体震动干扰，而存在可靠性差，故障多，维修困难等问题。

可编程控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便，线路设计合理，具有较强的抗干扰能力。

保证了系统运行的可靠性，降低了维修率,提高了工作效率。

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，传感器技术计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

在工资水平较低的中国，分拣行业尽管仍属于劳动密集型，机械手的使用已经越来越普及，那些电子和汽车业的奥美跨国公司很早就将它们设在中国的工厂中，引进了自动化生产。

但现在的变化是那些分布在工业密集的华南，华东沿海地区也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。

随我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸，转向，输送或分拣流程越来越节约劳动力，可见机械手的大力发展有着很重要的意义。

1.2机械手的发展

机械手一般为三类：

一是不需要人工控制的通用型机械手。

它是不属于其他主机的独立装置。

可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。

它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。

二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。

先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。

第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。

这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。

它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。

第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。

结构是：

主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。

采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

2设计原理

2.1操作原理简要说明

机械手有手动、单周期、自动循环、单步和回原点五种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。

在用户程序中，左限位开关，上限位开关的常开触点和表示电磁铁线圈断电常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器变位NO。

在通过初始化执行程序，利用辅助继电器来决定机械手的工作方式。

在单周工作方式下，在初始状态按下启动按钮后，机械手从初始步开始一个接一个周期地反复连续的工作。

在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原点。

在单步工作方式下，从第一步开始，按下启动按钮转换到下一步完成该步任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮才转到下一步。

单步工作方式常用于系统的调试。

在选择单周期，多周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式。

机械手的一个工作周期（动作顺序）为下降、夹紧、上升、右行、下降、释放、上升、左行返回，如图2.1（详细流程如：

附录2）。

图2.1　机械手动作流程

当机械手在原点状态时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位时，机械手夹紧，然后机械手上升，上升到上限位时，机械手臂右行。

当右行到右限位时，机械手下降，下降到下限位时,气爪得电，释放工件，机械手上升，回到原点，机械手一周期动作完成。

2.2设备的控制方式

本设计中设计的机械手，它共有三个自由度。

即：

载物台左右移动、夹爪上下移动、夹爪抓取工件。

而机械手的传动分气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即载物台采用电气传动，而夹爪、夹爪上下移动都采用气动传动。

机械手效果图（如图2.2）。

图2.2　机械手效果图

1、载物台移动机构

采用步进电机带动丝杆，通过丝杆将步进电机的旋转动作转变成左右移动，由可编程控制器发出脉冲信号，经步进驱动模块驱动步进电动机旋转，带动滚珠丝杆旋转，完成载物台的左右运动。

当改变发出脉冲的个数，可控制载物台的X轴运动的距离。

同时在两轴的两端分别加限位开关限位，用来做超程保护。

采用丝杆、滚珠轴承结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。

2、Z轴执行机构

设计采用无杆气缸（图2.3）带动夹爪上下运动，但是由于气缸动作比较快，因选用的是磁偶式无杆气缸，本身带磁性，无法使用感应磁的传感器。

所以为无杠气缸设计一个机械限位挡块（图2.4），使挡块具有又能对气缸进行防止超程又能进行定位两个功能。

其次为了防止气缸旋转，加上二个定位导向杆，对气缸上下运动进行限位，并可以防止其旋转。

图2.3　无杆气缸

图2.4机械限位挡块

3、电气控制方式

主要是采用三菱的FX2N-48MT可编程控制器对设计中的步进电机、气缸和夹爪进行控制。

步进电机通过PLC发送脉冲给驱动器，使驱动器驱动步进电机转动。

气缸通过PLC控制电磁阀线圈的得电，使电磁阀改变通道控制气缸的上下移动。

2.3可编程控制器的选型

根据被控制对象对PLC,基本原则是满足控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。

进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。

对开关量控制的系统，当控制速度要求较不高时，一般的小型PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的目的自动控制等。

当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。

对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的传动感器、变送器和驱动装置等。

输入/输出的点数可以衡量PLC规模的大小。

准确统计被控对向的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际的调整和扩充，在实际I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。

多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。

模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。

此外，还应考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。

本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进电动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。

日本三菱FX系列的PLC性价比搞、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，所以系统采用日本三菱FX2N—48MT的PLC（如图2.5），能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。

2.4控制电源模块的选型

采用S-120-5型号的开关电源,其特点是输出功率大、体积小，重量轻、可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。

主要参数：

（1）输入交流电压：

110-220V/50HZ、60HZ

（2）输出直流电压：

24V/6.5A

（3）最大功率：

156W

（4）工作环境：

-10-40°C

图2.5　PLC外型

2.5步进电机的选型

步进电机作为执行机构用于带动传输带输送物料前行,与光电编码器连接在一起。

可以通过控制脉冲个数,来控制角位移量,从而达到准确定位的目的。

同时,可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度,达到调速的目的。

采用二相四拍混合式步进电动机，主要特点：

体积小，具有较高的启动和运行频率，有定位转矩等优点。

本次设计选用的步进电机型号是：

110BYG260D-0602,步进电机基本参数如表2.1。

表2.1步进电机基本参数

额定电压

110（V）

额定功率

550（KW）

相数

2

额定电流

4.0（A）

步距角

1.8°

额定转矩

8.5（NM）

外形尺寸

112*112*194mm

额定转速

3000（rpm）

图2.6步进电机

图2.7电气原理图

快接线插头中的红色表示A相，蓝色表示B相。

使用时如果发现步进电动机转向不对时可以将A相或B相两根线对调。

此系统中的步进电动机作为执行机构用于带动传送带输送物料前行，与旋转编码器连接在一起，可以通过控制脉冲个数，来控制角位移量，从而过到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转速，达到调速目的。

2.5.1步进电机工作原理

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

2.5.2步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

2.5.3步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2.5.4静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

2.5.5力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P=Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米。

P=2πfM/400（半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。

应用中的注意点：

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、可根据驱动器型号，选择驱动电压采用直流80V。

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

5、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

6、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

7、应遵循先选电机后选驱动的原则。

2.6步进驱动模块的选型

采用2HA1180型号的五相混合式步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。

信号输入部分：

信号源由FX2N主机提供。

由于FX2N提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。

输出部分：

与步进电动机连接，注意相序。

接线方式如图2.8。

电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。

步进电机驱动器如图2.9。

图2.8　步进驱动接线图

图2.9　步进电机驱动器

2.7气爪的选型

采用Faytarlee气压夹爪（图2.10）:

扁薄精巧，高强度夹片，多面固定，内附磁石。

其作动原理为利用一个薄形气缸本体,于本体上加工定位梢孔以安装爪片与拨动杆,当活塞杆受压缩空气向上或向下推进时,爪片或拨动杆藉由活塞杆上端的拨动梢作张开合闭之动作。

本体造型扁薄精小占用空间少。

图2.10气压夹爪

2.8传感器的选型

采用LJG1A-4/OAN2型号的接近开关作为载物台X轴超程限位检测用，采用NPN型的传感器，如图2.11。

如图2.9　传感器

因采用三菱FX系列的FX2N—48MT，接近开关有三根线，接线时注意把红色的线接电源的正极，黑色的线接电源的负极，蓝色的接PLC的输入端子。

2.9电磁阀的选型

选用永利气动元件厂生产的，型号VF3130电磁阀，正常使用1000万次以上寿命，阀体经特殊镜面加工及硬质处理，采用进口油封摩擦阻力小增长油封寿命，使用德国线圈，低耗电量，反应快速，能长时间工作不烧损。

2.10气缸的选型

在工业自动化高度发达的今天，普通简单的机械化已完全被自动化所取代，气缸的使用与应用已越来越熟悉，它的工作效率与动作的正确性、精确性已完全被认可。

气缸是将压缩空气的压力能转化为机械能的一种执行元件，使驱动机构作直线往复运动，摆动和旋转运动。

1、类型的选择

根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。

要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声应选择缓冲气缸；要求重量轻，应选轻型缸；要求安装空间窄且行程短，可选薄型缸；有横向负载，可选带导杆气缸；要求制动精度高，应选锁紧气缸；不允许活塞杆旋转，可选具有杆不回转功能气缸；高温环境下需选用耐热缸；在有腐蚀环境下，需选用耐腐蚀气缸。

在有灰尘等恶劣环境下，需要活塞杆伸出端安装防尘罩。

要求无污染时需要选用无给油或无油润滑气缸等。

2、安装形式

根据安装位置、使用目的等因素决定。

在一般情况下，采用固定式气缸。

在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。

在要求活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。

有特殊要求时，应选择相应的特殊气缸。

3、作用力的大小

即缸径的选择。

根据负载力的大小来确定气缸输出的推力和拉力。

一般均按外载荷理论平衡条件所需气缸作用力，根据不同速度选择不同的负载率，使气缸输出力稍有余量。

缸径过小，输出力不够，但缸径过大，使设备笨重，成本提高，又增加耗气量，浪费能源。

在夹具设计时，应尽量采用扩力机构，以减小气缸的外形尺寸。

4、活塞行程

与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选满行程，防止活塞和缸盖相碰。

如用于夹紧机构等，应按计算所需的行程增加10～20㎜的余量。

5、活塞的运动速度

主要取决于气缸输入压缩空气流量、气缸进排气口大小及导管内径的大小。

要求高速运动应取大值。

气缸运动速度一般为50～800㎜/s。

对高速运动气缸，应选择大内径的进气管道；对于负载有变化的情况，为了得到缓慢而平稳的运动速度，可选用带节流装置或气—液阻尼缸，则较易实现速度控制。

选用节流阀控制气缸速度需注意：

水平安装的气缸推动负载时，推荐用排气节流调速；垂直安装的气缸举升负载时，推荐用进气节流调速；要求行程末端运动平稳避免冲击时，应选用带缓冲装置的气缸。

选用亚德客公司生产的SDAS50X50B系列-复动型,薄且轻性：

在保持既有动作精度及产品使用寿命下，其全长仅为一般气缸的1／2～1／3。

发挥既薄且轻的特性;使用埋入式的安装方式，不需任何配件达到节省空间的要求。

易安装性;磁性开关：

在本体外围预留装配槽，使磁性开关在安装固定及位置调整时，均极其简单。

2.11Firstair螺杆空压机的选型

高性能配置空压机的核心由空压机主机、驱动系统、油气控制系统、冷却系统和电器控制系统组成。

高可靠性，采用世界顶级空压机主机和高精密空压机配件，结合复盛空压机精湛的技术、严格的工艺和ISO9001质保体系。

高度智能化，菜单操作模式、空压机智能故障诊断和保护系统，使空压机组无人职守成为现实；采用先进的通讯接口，利用互连网便可管理多台空压机。

低安装费用，工业造型前卫，空压机机器不需要安装基础，只要接上电源就可投入使用。

低运行费用，空压机智能控制系统可以按照压缩空气消耗状况，控制空压机减荷或停机，实现节能和延长空压机机器的使用寿命。

3控制系统的