机电一体化毕业设计论文基于plc的玻璃搬运机械手系统设计.docx
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机电一体化毕业设计论文基于plc的玻璃搬运机械手系统设计
本科毕业设计（论文）
玻璃搬运机械手系统设计
学院（系）：
工业工程系
专业：
机电一体化09-3班
学生姓名：
指导教师：
答辩日期：
2012-5-19
摘要
机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。
采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。
对玻璃搬运机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。
在其驱动系统中采用气压驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。
最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。
通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型玻璃搬运机械手的设计方案，对其他经济型PLC控制系统的设计也有一定的借鉴价值。
关键词:
机械手；气动控制；可编程控制器（PLC）；自动化控制
Abstract
Manipulatorplaysanextremelyimportantroleinthefieldofadvancedmanufacturing.Itcancarrygoods,sortmaterialsanddoheavyworksinsteadofthehumanbeing.Italsocanrealizemechanizationandautomationoftheproduction,dothejobsinharmfulenvironmenttoprotectthepersonalsafety.Soitiswidelyusedinmetallurgy,machinerymanufacturing,electronics,lightindustryandatomicenergyetc.
Inthispaper,byreviewingthedevelopmentalstatusofthemanipulatorinrecentyears,combiningthedesignofmanipulatorandsystematicanalyzingtechnologyofthemanipulator,WeproposedthedesignschemethatthemanipulatorwasdrivenbythepneumaticandthesystemwascontrolledbyPLC.Integrativeideawasadoptedinthisdesigntofullyconsiderthecharacteristicsofthesoftwareandhardwareandcomplementaryoptimization.Weanalyzedanddesignedtheoverallstructure,theimplementationofstructural,drivingsystemandcontrolsystemofthemanipulator.Weusedpneumatic-driveninthedrivingsystem,PLCcontrolunitinthecontrolsystemtocompleteinitializationofthesystem,manipulator'smoving,failurealarmandsoon.Finallyweputforwardacontrolstrategywhichissimple,easytorealize,andcleartheoreticalsignificance.
Throughtheworkabove,apractical,economical,high-reliabilitysortingmaterialmanipulatorwasdesigned,whichalsohadcertainreferencevaluefortheothertypesofeconomicalPLCcontrolsystemdesign.
Keywords:
Manipulator；Pneumatic-driven；Programmablelogiccontroller;Automaticcontrol
第1章绪论.........................................................................................................1
1.1研究的目的及意义.................................................................................1
1.2机械手在国内外现状和发展趋势..........................................................1
1.3主要研究的内容......................................................................................2
1.3.1玻璃搬运机械手执行系统的分析与选择
1.3.2玻璃搬运机械手驱动系统的分析与选择
1.3.3玻璃搬运机械手控制系统的设计
1.4解决的关键问题.....................................................................................3
第2章执行系统的分析与选择..........................................................................4
2.1执行机构坐标形式的选择......................................................................4
2.2执行机构的组成......................................................................................6
2.3驱动系统
2.4控制系统
2.5位置检测装置
第3章机械手的整体设计方案
3.1机械手的左边形式和自由度
3.2机械手的手部结构方案设计
3.3机械手的手腕结构方案设计
3.4机械手的手臂结构方案设计
3.5机械手的驱动方案设计
3.6机械手的控制方案设计
3.7机械手的主要技术参数
3.8执行机构各部分的分析与选择
3.8.1手部的选择与计算
3.8.2手部的选择
3.9真空吸盘的计算
3.10腕部的设计计算
3.10.1腕部设计的基本要求
3.10.2腕部的结构以及选择
3.10.3腕部的驱动力矩计算
3.10.4腕部的驱动力的计算
3.10.5液压缸盖螺钉的计算
3.10.6动片和输出轴间的连接螺钉
3.11臂部的合计及有关计算
3.11.1臂部设计的基本要求
3.11.2手臂的典型机构以及结构的选择
3.11.3手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核
3.11.4导向装置
3.11.5平衡装置
3.11.6手臂摩擦力的分析与计算
3.11.7手臂惯性力的计算
3.11.8密封装置的摩擦阻力
3.11.9液压缸工作压力和结构的确定
3.12机身的设计计算
3.12.1机身的整体设计
3.12.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核
3.13机身回转机构的设计计算
3.13.1回转缸驱动力矩的计算
3.13.2回转缸尺寸的初步确定
3.14机身升降机构的计算
3.14.1臂偏重力矩的计算
3.14.2升降不自锁条件的分析计算
3.14.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算
3.14.4轴承的选择分析
3.14.5设计液压系统图
3.14.6液压回路的工作原理
2.3执行机构各部分的分析与选择...............................................................6
2.3.1手部的选择及计算......................................................................6
2.3.2手臂结构的选择..........................................................................7
2.3.3纵向直动气缸的设计计算与校核...............................................8
2.3.4横向气缸的设计计算与校核.....................................................14
2.3.5机身回转力矩的计算................................................................17
2.3.6回转液压缸所驱动力矩计算.....................................................18
2.3.7气压缸盖螺钉的计算................................................................19
2.3.8静片和输出轴间的连接螺钉.....................................................20
2.3.9矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核.........................................21
2.3.10机座结构的选择.......................................................................22
2.3.11机身部位轴承选择与校核........................................................23
2.4执行机构的工作原理...........................................................................23
第3章驱动系统的分析与选择........................................................................24
3.1驱动系统的分析与选择.......................................................................24
3.2机械手驱动系统的控制设计...............................................................25
3.3气动元件选取及工作原理...................................................................26
3.3.1气源装置....................................................................................26
3.3.2执行元件....................................................................................27
3.3.3控制元件....................................................................................28
3.3.4辅助元件....................................................................................29
3.3.5真空发生器................................................................................29
IV
3.3.6吸盘...........................................................................................30
3.4气动回路的工作原理...........................................................................30
第4章控制系统的分析设计..........................................................................33
4.1控制系统的组成结构.........................................................................33
4.2控制系统的性能要求.........................................................................33
4.3传感器的选择.....................................................................................34
4.3.1位置检测装置............................................................................34
4.3.2滑觉传感器................................................................................34
4.4控制系统PLC的选型及控制原理......................................................35
4.4.1PLC控制系统设计的基本原则...............................................35
4.4.2PLC种类及型号选择..............................................................39
4.4.3I/O点数分配............................................................................39
4.4.4PLC外部接线图......................................................................41
4.4.5机械手控制原理......................................................................42
4.5PLC程序设计....................................................................................43
4.5.1总体程序框图..........................................................................43
4.5.2初始化及报警程序..................................................................45
4.5.3手动控制程序..........................................................................47
4.5.4自动控制程序..........................................................................48
总结..................................................................................................................51
参考文献.............................................................................................................52
致谢..................................................................................................................53
附录：
英文及翻译..........................................................。
54
第1章绪论
1.1研究的目的及意义
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。
它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。
可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。
它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。
使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。
适应工业需要，本课题试图开发PLC对玻璃搬运机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够按预定的程序进行搬运，动作灵活多样，适用于中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。
采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行玻璃搬运的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。
本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。
主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。
1.2机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。
目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统，实现生产自动化。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。
目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS及瑞典的ABB公司。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：
70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。
在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。
在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。
如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。
从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。
如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。
在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。
在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。
据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
1.3主要研究的内容
随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。
本论文主要研究玻璃搬运机械手以下几个方面的内容：
1.3.1玻璃搬运机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。
主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。
执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。
1.3.2玻璃搬运机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。
通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。
内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。
1.3.3玻璃搬运机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。
本机械手采用可编程控制器（P
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