毕业设计机械手.docx

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毕业设计机械手

XX大学

毕业设计（论文）

题目　机械手实训系统的研制

学生姓名　　　　　XXX　　　　　　　

学院　　　XXXXXXX　　　

专业班级　　　　XX电气自动化技术　　　　

完成时间　　　　XXXX年X月X日　　　　

XX大学

毕业设计（论文）任务书

电气自动化技术专业级姓名　

毕业设计（论文）题目：

机械手实训系统的研制

起止日期：

指导教师：

毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：

一、设计内容：

进行开放式机械手实训系统的研制，包括实训系统硬件（根据实训室设备）和软件设计；写出设计说明书（论文）。

二、目标和要求：

1、学习机械手的控制系统，熟悉其工作原理；

2、学习气动技术及传感器技术，掌握步进电机的工作原理及驱动方法；

3、学习选择PLC作为控制器的核心部件，完成机械手系统的硬件设计和PLC控制器的软件设计。

三、设计进度安排：

2009/2/11～2009/2/25下达任务书，收集资料，熟悉控制要求

2009/2/26～2009/03/09系统的硬件设计

2009/03/10～2009/04/24系统的软件设计及调试

2009/04/25～2009/05/20完成毕业设计论文

2009/05/21～2009/06/5对设计及论文进行整改和定稿

审查意见：

负责人：

年月日

开放式机械手实训系统的研制

（XXXX学校20XX电气自动化技术XXX）

指导老师

摘要：

本文介绍了开放式机械手实训系统的研制工程，具体描述了实训系统组成，控制原理。

本文讲述的开放式机械手实训系统由气控机械手，XY轴滚珠丝杆组，转盘机构，旋转基座及气缸等机械部分组成；电气方面有PLC，步进电机驱动模块，传感器，开关电源，电磁阀等电子器件组成。

该实训系统能模拟工业机械手完成产品的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运货物运输更快捷，便利。

机械手开放式实训系统可由学生自行完成系统各部件的组装，接线，软件编程，系统调整等训练。

关键词：

PLC机械手实训系统研制

前言

近年来，机械手在自动领域中，特别是在有毒的，易燃易爆等恶劣环境内得到了广泛的应用。

传统工艺中采用继电器控制时需要的继电器多，其控制系统复杂，大量的接线使系统的可靠性降低，设备的工作效率下降，自动化程度不高，安全系数低，因此故障多，维修困难，费时费工，不仅加大了成本，而且影响设备的工效。

本设计采用三菱公司生产的FX2N系列可编程控制器，实现软件编程。

该方法利用了PLC和其他控制装置的特性，结构紧凑，控制可靠，在现场运行良好。

采用PLC控制使接线简化，安装方便，可再扩展性好，而且可以保证运行的可靠性减少维修量，提高了工效。

一、实训系统的概述

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。

机械手就这样诞生了，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。

开放式机械手实训系统是依据机电一体化教学的要求而开发的，它是一个将PLC，位置控制技术，气动技术有机结合成一体的教学实训系统，涵盖了可编程控制技术，位置控制技术，气动技术，检测技术等，是机电一体化的典型代表产品之一，能模拟生产实际中的物料搬运，可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替工人在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

本实训系统结合配套软件可给学生开展控制系统的位置控制，PLC编程等实训，并满足对机械制造及自动化、自动化、电气自动化、电气工程等专业的《机电传动与控制》、《运动控制》、《气动控制》、《机电一体化技术》、《检测与转换技术》等课程开展实训的需要，具有一定的推广应用价值。

二、系统组成

1、机械手实训系统由底版、实训桌、旋转底座、气动部分、手爪、三维运动机械及电气控制面板等部分组成。

电气控制面板布局图见图2-1。

图2-1电气控制面板布局图

（2）机械传动采用自制的丝杠、齿轮等机械部件。

（3）电气部分由空气开关、开关电源、接触器、按钮、步进电机及其驱动器、传感器、光电编码器、减速直流电机及各指示灯等组成。

（4）气动部分由电磁阀、气控机械手爪、气缸等组成。

（5）控制核心为三菱可编程控制器FX2N-48-MT，输入、输出共48点，输出形式为晶体管输出。

（6）主要电气元件清单。

名称

型号

数量

厂家

备注

接近开关

BLJ12A4-4-Z/BLZ

电压：

６－３６V

S：

４ｍｍ

NPN常开

４

乐清市百斯特电器科技有限公司

直流电机

32ZY0240

DC:

24V

带减速器rpm:

20

２

昆山哈宝机电设备有限公司

步进电机

42BYG250C

步距角0.9°/1.8°

电流：

1.5A

２

四通电机

步进电机电机驱动器

SH-20403

2

四通电机

直流稳压电源

150W

DC24V输出

1

鸿海科技开发有限公司

空气开关

DZ47C10

50HZ

230V

2

德力西集团

PLC模块

FX2N-48MT

1

三菱电机自动化公司

直流继电器

G2R-2-24V

4

欧姆龙株式会社

旋转编码器

E6A2-CW5C

1

欧姆龙株式会社

按钮开关

LAY7系列

6

德力西集团

指示灯

LD11系列

3

德力西集团

除了购买了基本的电气元件和气动元件外，本实训系统其余零部件均为自制。

三、控制原理及特点

开放式机械手实训系统的控制过程是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气阀的开关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。

（一）横竖轴的位置控制

机械手横竖轴的位置控制由步进电动机带动丝杠控制，只要控制步进电动机的转速和转角就能精确地控制横竖轴移动的位置和速度。

上下左右分别配有限位开关用于限位保护。

1、步进电机

采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：

体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。

本系统中采用串联型接法，其电气图如图3-1所示。

图3-1步进电机电气图

2、步进电机驱动器

步进电机驱动器主要有电源输入部分，信号输入部分等。

驱动器参数如下列图表所示：

（1）电气规格

说明

最小值

典型值

最大值

单位

供电电压

18

24

40

V

均值输出电流

0.21

1

1.50

A

逻辑输入电流

6

15

30

mA

步进脉冲响应频

—

—

100

kHz

脉冲低电平时间

5

—

1

μs

（2）电流设定

电流值

SW1

SW2

SW3

0.21A

OFF

ON

ON

0.42A

ON

OFF

ON

0.63A

OFF

OFF

ON

0.84A

ON

ON

OFF

1.05A

OFF

ON

OFF

1.26A

ON

OFF

OFF

1.50A

OFF

OFF

OFF

（3）细分设定

细分倍数

步数/圈（1.8°整步）

SW4

SW5

SW6

1

200

ON

ON

ON

2

400

OFF

ON

ON

4

800

ON

OFF

ON

8

1600

OFF

OFF

ON

16

3200

ON

ON

OFF

32

6400

OFF

ON

OFF

64

12800

ON

OFF

OFF

由外部确定

动态改细分/禁止工作

OFF

OFF

OFF

（4）接线信号描述

信号

功能

PUL

脉冲信号:

上升沿有效,每当脉冲由低变高时电机走一步

DIR

方向信号:

用于改变电机转向,TTL平驱动

OPTO

光耦驱动电源

ENA

使能信号:

禁止或允许驱动器工作,低电平禁止

GND

直流电源地

+V

直流电源正极,典型值+24V

A+

电机A相

A-

电机A相

B+

电机B相

B-

电机B相

（5）PLC控制器与步进电机驱动器连接的工作原理如图3-2所示

图3-2PLC控制器与步进电机驱动器连接图

驱动器电源由面板上电源模块提供，注意正负极性，驱动器信号采用+24V供电，需加1.5K限流电阻（见图3-2中1.5K电阻）。

驱动器输入端为低电平有效，在使用不同厂家的PLC产品配套此系统使用时，要选择相应的输出方式，或者加入合适的电平转换板进行电平转换。

（二）旋转底座控制

旋转底座采用减速直流电动机传动，配置光电传感器及编码器，依据编码器发出的脉冲数可实现水平旋转方向的精确定位，电感式传感器用来限位保护。

1、传感器:

（1）接近开关:

接近开关有三根连接线（棕、蓝、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号,当与档块接近时输出电平为低电平,否则为高电平。

与PLC之间的接线图如图3-3所示,当传感器动作时,输出端对地接通。

PLC内部光耦与传感器电源构成回路,PLC信号输入有效。

图3-3PLC与传感器的接线图

（2）行程开关:

当档块碰到开关时,常开点闭和。

（3）旋转编码器:

旋转编码器规格为增量式,脉冲数为360p/r;旋转编码器将信号传给PLC,实现转盘机构的精确定位。

2、直流电机驱动单元:

直流电机驱动模块是由两个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的。

其电气原理图如图3-4所示。

图3-4直流电动机驱动电气原理图

（三）其它控制

1、气动机械手爪的转动采用减速直流电动机传动,配置电感式传感器用来限位保护。

2、空气开关作为系统的电源开关起过载、短路、欠压等保护作用。

3、开关电源输入工频交流电AC220V50Hz,输出稳定的直流电源DC24V给步进电机驱动器和直流电动机。

4、系统配有启动、停止、急停、方式转换等开关按钮,可进行各类电气控制。

5、红、黄、绿信号灯用来指示系统运行的各种状态。

6、PLC为控制核心,其输入信号有按钮、传感器、限位开关等,输出控制直流继电器、步进电机驱动器、电磁阀和指示灯。

四、可完成的实训项目

（1）系统接线

（2）PLC基本指令练习

（3）气动控制技术的掌握

（4）步进电机控制

（5）各种传感器及编码器的应用

通过PLC编程可实现如下较复杂的功能：

1）开机复位2）横轴前升3）手旋转到位

4）电磁阀动作，手张开5）竖轴下降6）电磁阀动作，手夹紧

7）竖轴上升8）横轴缩回9）底盘旋转到位

10）横轴前伸11）手旋转12）竖轴下降

13）电磁阀动作，手张开14）竖轴上升15）复位

五、推广价值

实践证明该设备适合高职院校、职业学校、技工院校的机电技术与应用、电气技术应用等专业的教学与技能实训，也适合职业培训学校、职教中心、鉴定站、所机电类课程的鉴定考核。

同时，本实训系统原型取自工业现场，并进行了改进，充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计。

只需改变程序即可将此系统应用于不同工业自动化生产线现场的取物、搬运工作，特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人进行作业，从而将减轻工人的劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益。

经实践证明，本系统完全能应用于可变换生产品种的中小批量自动化生产线上，具有较大的推广价值。

六、实训示例：

机电一体化设备组装与调试技能实训

（一）设计任务

Ⅰ、初始位置：

机械手在最上面、最右边，气抓关闭，底盘处于正限位，手爪处于反限位；

Ⅱ、动作顺序：

①机械手下降左移→②气抓旋转抓料→③机械手上升右移→④底盘旋转→⑤机械手再下降左移→⑥气抓旋转松料→⑦机械手再上升右移→⑧等待5s。

根据要求对应你所处的工作站，用工作站的执行元件来进行模拟动作。

该站有1个气抓，气抓上装有2个磁感应传感器；机械手横轴和竖轴两侧装各有2个微动开关；1个旋转底盘，装有2个磁感应传感器及1个旋转编码器；底盘和气抓的旋转由直流电动机控制；机械手的上升下降和左移右移运动由步进电机带动丝杆进行。

Ⅲ、可完成的工作方式

1、手动操作:

就是用按钮操作,对机械手的每一种运动单独进行控制。

2、回原点操作:

选择复位按钮,按下启动按钮,机械手自动回原点。

3、单周期操作:

机械手从原点开始,按下启动按钮,机械手自动完成一个周期的动作后停止。

在工作中若按下急停按钮,则机械手动作停止。

重新启动时需用手动操作方式或回原点操作将机械手移回到原点,然后按下启动按钮,机械手又重新开始单周期操作。

4、连续操作:

机械手从原点开始,按下启动按钮,机械手将自动地连续地周期性循环。

在工作中若按一下急停按钮,则机械手动作停止。

重新启动时需手动操作或回原点操作回到原点,然后按一下启动按钮,机械手又重新开始连续操作。

在工作中若按下复位按钮,则机械手将继续完成一个周期的动作后,回到原点,自动停止。

Ⅳ、操作要求

（1）设计并连接气动回路图，按规范操作；

（2）根据所开放的硬件资源进行接线,达到功能要求;

（3）按以下要求编写PLC控制程序；将程序下载至PLC中，并调试运行（硬件调试和软件调试）；

●系统上电，上电指示灯（红）亮；

●若系统不在原点位置，原点指示灯（黄）闪烁；按下复位按钮，系统自动复初始位置；原点指示灯停止闪烁保持常亮；

●按下启动按钮：

实现顺序动作；原点指示灯和上电指示灯灭，运行指示灯（绿）亮；

●按下停止按钮：

系统回初始位置终止；上电指示灯和原点指示灯亮；

●在单周期控制方式下：

系统执行单循环（在系统原点位置按下启动按钮后，系统实现一个循环的自动运转），期间运行指示灯闪烁；单循环完毕，运行指示灯闪烁，原点指示灯亮，上电指示灯亮；

●在自动控制方式下：

系统执行多循环（在原点位置按下启动按钮后，开始重复的连续运转，等待期间，运行指示灯和原点指示灯亮；按下停止按钮后系统运行完一个循环后回到原点停止）；

●在按下紧急停止按钮时，操作过程当前步骤中止，上电指示灯闪烁。

释放紧急按钮，动作过程必须从初始条件开始重新启动。

●在系统急停和停止状态下，系统可手动控制，各个工作步骤可手动完成。

（二）设计调试要求

1、气路图、PLC（I/O）接线图；2、输入输出元件与PLC地址对照表；3、梯形图设计；4、将程序输入PLC机；5、调试。

（三）实训示例解答

1、气路图、PLC（I/O）接线图

（a）气路图

（b）PLC（I/O）接线图

2、输入输出元件与PLC地址对照表

输入

X0

横轴右限位SQ2

输出

Y0

横轴脉冲

X1

竖轴上限位SQ3

Y1

竖轴脉冲

X2

横轴左限位SQ1

Y2

横轴方向

X3

竖轴下限位SQ4

Y3

竖轴方向

X4

旋转脉冲

Y10

手爪正转（KA1线圈）

X5

复位按钮

Y11

手爪反转（KA2线圈）

X6

启动按钮

Y12

底盘正转（KA3线圈）

X7

急停按钮

Y13

底盘反转（KA4线圈）

X10

手爪正限位SQP2

Y14

电磁阀线圈

X11

手爪反限位SQP1

Y15

连续/单周期运行指示灯

X12

底盘正限位SQP4

Y16

原点指示灯

X13

底盘反限位SQP3

Y17

上电/停止指示灯

X14

单周期自锁按钮

X15

停止按钮

X16

电磁阀（手动）加紧

X17

电磁阀（手动）松开

X20

横轴收回（手动）按钮

X21

横轴伸出（手动）按钮

X22

竖轴向下（手动）按钮

X23

竖轴向上（手动）按钮

X24

底座反转（手动）按钮

X25

底座正转（手动）按钮

X26

手反转（手动）按钮

X27

手正转（手动）按钮

3、梯形图设计

4、接线及调试

根据程序中对应的输入输出点分别接到实训系统中的各个接线端中。

（1）两个步进电机驱动器的电源由24V电源提供，将步进电机的OPTO端与本驱动器的+24V相连。

（2）两个直流电机的电源由24V电源提供，MC接本模块的VCC。

MR和ML端接PLC或电平转换板的输出端。

（3）限位信号模块电源由24V电源提供，本模块的V-接模块电源的地。

（4）电磁阀的YV+与电源模块的VCC。

YV-端接支PLC或电平转换板的输出端。

（5）主机接线方法请参照输入输出分配表和PLC使用手册。

用下载线将计算机的COM口与PLC主机的串口相连，打开PLC电源。

运行编程软件，打开实训程序，设置好通信参数后下载程序到PLC中。

注：

如果遇到PLC连接不上的情况，请打天花板编程软件中有关通信端口的设置项目然后重新下载。

七、使用注意事项

（1）实训系统上带有DC24电源，在上电前请先不要将电源引到各个模块，以免因电源故障损坏。

请先上电检查电源输出是否正常。

（2）接线完毕，检查无误后，才可通电，严禁带电插拔。

（3）实训始终，实训系统上要保持整洁，不可随意放置杂物,特别是导电的工具和多佘的导线等,以免发生短路等故障。

（4）实训完毕，应及时关闭电源开关，并及时清理台面，整理好连接导线并放到规定的位置。

（5）请不要长时间挤压行程开关，以免减短行程开关使用寿命。

（6）若发生不能上电，请检查插座上保险丝是否完好。

（7）若运作不正常请检查驱动器设置，并确保驱动器插件已插好。

结束语

通过本次毕业设计，使得我对可编程控制器设计有了更深的认识。

认识到PLC为人们的生活带来了极大的方便，特别是在恶劣环境内得到广泛的应用同时也锻炼了我独立思考和独立完成任务的能力。

在本次设计中,不但查阅了很多书本上的资料,也通过网络查阅到很多可编程控制和自动控制等先进技术方面的有关知识。

这次设计让我把所学的理论知识用到实践中,实现了理论和实践相结合,让我们收益匪浅,使我成功的完成了机械手实训系统的研制,虽然系统还不是很完善,但我相信这将对我以后参加工作将会产生巨大的帮助。

致谢词

2个月的时间很快过去了，本篇论文也已初步完成。

在这里首先要感谢学校领导给予的大力支持，特别感谢学校为我们提供了良好的设计环境和必要的设计设备，特别要感谢指导教师XXX给予的悉心指导和不厌其烦的热情帮助，XXX以其渊博的知识严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心，给我的学习、工作、生活以很大的影响，并将永远激励我奋发向上。

在此谨向老师表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意！

感谢答辩组的各位教师为我们所作的各种工作和对我们论文所作的批评斧正。

感谢同学的热情帮助和本文所引文献的作者和编者们。

参考文献

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人民邮电出版社，2005

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科学出版社2002

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浙江大学出版社2000

附录机械手零件图