基于PLC的机械手系统设计方案.docx

1、基于PLC的机械手系统设计方案基于 PLC的机械手系统设计方案第一章 绪论1.1 引言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。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学

2、科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。本设计所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。电气方面有可编程控制器（ PLC）、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、开关电源、电磁阀、操作台等部件。可编程控制器发出两路脉冲到步进电机驱动器，分别驱动横轴、竖轴的步进电机运转；直流电机拖动底座和手腕的旋转；行程开关、微动开关、将位置信号反馈给主机，由主机发出指令来实现对手臂的伸缩、上下、转动位置的控制；主机发信号到气动电磁阀，以控

3、制手爪的张合来抓放物体。本设计可根据工件的变化及运动流的要求随时更改相关参数，具有很大的灵活性和可操作性。1.2机械手的设计1.2.1设计目的(1).进一步加深对所学基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。(2). 系统开发 PLC的综合训练，掌握 PLC应用系统设计的一般方法和实施。获得从事科研工作的初步训练，培养独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重充分利用网络等途径获取新知识的能力。(3). 培养设计计算、 工程绘图、 实验方法、 数据处理、 文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用等基本工作实践能力以及外文资料翻译与使用能力。(4). 树立严谨

4、、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、善于合作等作风，培养创新意识。1.2.2 设计内容PLC的选型及电动机的选择，编制机械手 PLC控制程序，设计机械手模型的电气线路原理图，绘制设计图样，撰写毕业设计说明书。1.2.3 设计依据与可行性参照已学课程：电工与电子技术、机电传动与控制及可编程控制器应用技术原理与应用等相关知识，综合相关实训课程完成设计内容，机电实训室提供的 PLC实训场地和气动生产线及机电一体化组合试验实训平台能够用于毕业设计程序的调试。1.2.4 设计步骤(1). 根据设计要求深入了解系统的基本组成、主要运动形式及工作流程。(2). 进行电动机的种类及驱动方式的选择。(3).

5、确定输入 / 输出设备和 PLC型号，编制现场设备与 PLC 输入 / 输出对照表、所需的 PLC机内编程软元件及 I/O 接线图。(4). 完成 PLC控制程序的编制。(5). 设计系统电气线路。(6). 综合调试(7). 撰写毕业设计说明书，列出详细的材料清单1.2.5 其他说明设计方案的确定与优化选择可在大量查阅同类研究文献的基础上进行，各种计算、选型、设计参阅相关课程课本和文献；设计过程中鼓励创新，可在不脱离设计要求基础上增加自己的创新设计1.3 机械手的要求与原始数据1.3.1 设计要求1). 机械手工作流程. 机械手的初始位（原点）为左上位，开始运行后，如果机械手不在初始位置上，机

6、械手则开始工作回初始位。. 原点位置上，首先横轴电动机工作，手臂前伸，前伸到位后，横轴电动机停止。. 手爪电动机工作带动手爪转动，当传感器检测到限位磁头时，电机停止。. 手爪电磁阀动作（通电） ，手爪张开。. 延时后，纵轴电动机工作，手臂下降，下降到位后，纵轴电动机停止。. 手爪电磁阀复位，手爪夹紧（夹住物体） 。. 延时后，手臂上升，同时手臂缩回， 底盘电动机带动底盘转动。. 当横轴、纵轴、底盘都到位后，手臂前伸，前伸到位后停止。. 手爪转动，然后纵轴下降，手爪电磁阀动作，手爪张开。 . 延时后，纵轴上升复位，手臂缩回复位，底盘复位回原点，再重复下一循环。2). 操作方式：自动循环、单周期、

7、单步、手动四种。3). 横轴运动和纵轴运动为直线运动，由步进电动机驱动，由 PLC发出控制脉冲控制步进电动机运转。4). 手爪和底盘运动为旋转运动，由直流电动机驱动。5). 手爪采用气压驱动。1.3.2. 原始数据(1). 输入电压： AC220V或 DC24V。(2)气源 0.20.85MPa。(3)臂的运动参数：横轴、纵轴均小于450mm，速度 100mm/s。(4)手爪运动参数：旋转角度 180O。(5)底盘运动参数：旋转角度 180O。第二章 机械手的组成第三章 机械手的软硬件设计3.1 I/O 分配表输入 输出横轴左限水平步进电机横轴右限垂直步进电机竖轴上限水平步进电机换向竖轴下限垂

8、直步进电机换向手腕复位手腕电机正转手腕至位手腕电机反转底盘复位底盘电机正转底盘至位底盘电机反转上升手爪松开下降左移右移放松夹紧手腕顺转手腕逆转底盘顺转底盘逆转急停复位手动方式回原点方式单步方式单周期方式自动循环方式回原点启动信号自动控制启动信号停止信号3.2 I/O 接线图3.3 主要硬件设备名称及型号序号名称型号数量1直流电机70ZYNJ 55r/min22步进电机86BYG250A SAFRBC020223步进电机驱SH20806 57BYG SH 2H0572动器4直流继电器MY2NDC24V45干簧管SMEO 4 K LED24 B26双作用气缸DSNU16 100 PA17单向截流阀

9、GRLA M5 QS6 D28单电控电磁MEH 5/2 1/8 B1阀9截止阀HE1/4 D MINI110消音器U1/8211行程开关SMBR16612组合开关HZ10 25/3113PLCFx2n 64MT114计算机自定115三联按钮LA103H33.4 主要硬件设备说明(1). 步进电机的说明步进电机是把电脉冲转化为直线位移与角位移的执行元件，也就是说步电机的输出角位移与输入电脉冲的个数成正比。步进电机具有良好的速度特性被广泛用在工业生产中的运动控制中。步进电机不能直接加电源直接运行而是通过电机驱动器产生的脉冲电压按一定分配分式加到各控制绕组产生电磁过程的跃变，形成磁极旋转，以反应电磁

10、转矩带动转子作步进式转动。电机驱动器通常由脉冲发生器，脉冲分配器，功率放大器三部分组成。脉冲的输入经脉冲分配器组合成多相轮流通断的输出脉冲，然后经功率放大送步进电机。在步进的状态下，由于步进率较低，电动机装置在下一相通电并开始动作之前完全处于静止状态。这样，电机便可以在无位置误差的情况下启动，停止，反转。从本设计的实际考虑，本系统应属于步进电机的的变速连续运行应而在电机的起停环节上可能存在一定的位置误差，如对于要求较高的位置控制系统，应采用升速到恒速，减速到停止的过程。但对于本系统而言，该误差对系统正常动作的影响可以忽略。直接利用 PLC继电器输出的电平信号，与步进电机驱动器输入脉冲信号取逻辑

11、与，控制步进电机驱动器输入脉冲的有无，从而实现电机的运转控制。此控制模式相对于其它直接对电机进行制动的方式，具有响应时间短，功耗小，实现容易等特点。(2). 步进电机驱动器的说明本设计采用了 SH-20806 57BYG SH-2H057 驱动器，改善了电机电流的控制精度，进一步降低了力矩的脉冲，提高了细分的精度，并且将电机的损耗降低了 30%，达到了减小电机升温的效果。并使其驱动整步步距角 1.8 度的两相电机时可实现每步 0.9 度的分辨率，即 400 步/ 转。(3). 继电器的说明本设计的手腕和底盘的旋转动力依靠直流电机，而继电器在此处的应用就是实现这两个直流电机的正反转控制，也就是手

12、腕和底盘的运行和复位的控制。通过继电器的吸合和断开，实现电压的正负变化 , 达到控制直流电机正反转的目的。3.5 PLC 控制程序3.5.1 流程图3.5.2 梯形图3.5.3 指令表3.6 气动回路图总结转眼之间，历经整整大三的下半个学期、近两个月的毕业设计马上就要结束了，这是我们大学之中最后一个也是最重要的一个设计、一个阶段。毕业设计是考验我们大学这三年来的所学，它要求我们将大学这三年来所学到的知识能够融会贯通、熟练应用，并要求我们能够理论联系实际，培养我们的综合运用能力以及解决实际问题的能力。在这两个月里，我不断学习新的知识、不断积累经验并且不断的提高。在几位老师的悉心指导下，我从最初的

13、选题开始做起，进行设计方案的确定；对以前所学的机械、电子电工、计算机、 CAD 等基础知识的全面综合应用。 在此还综合运用了传感器、 低压电器、可编程控制器、气动传动、机械制图知识的技能，模拟进行现场监视与控制。这次的毕业设计，是对我这三年来所学的专业知识是否踏实的检验，让我对这三年中所学知识进行了综合，也让我温习了一些已经快要淡忘的专业知识，并且还学到了一些实际工程经验。与此同时，我也充分认识到自身的许多不足：基础知识学得不够扎实，缺乏综合运用及理论联系实际的能力等。采用 PLC控制的自动化机械手，硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性能、价格比很高，和单片机系统相比具有极高的可靠性。经现场

14、使用考验，性能稳定，运行可靠。另外还可以根据实际需要很方便地进行扩展。程序稍作修改，就可以满足用户不同的控制要求，体现出极大的灵活性和适应性， 具有极高的实际推广价值。这次的设计对我来说真的很重要，让我学会了理论联系实际、实际再联系理论的学习方法， 也让我真正地认识到学好专业知识的必要性和重要性。 在以后的学习中我们会加倍用心地去学习好我的专业知识。致谢时光飞逝，三年的教育技术专科学习生涯即将结束，我的毕业设计论文也己定稿，回首往事，感憾万千 !首先，要感谢我的指导老师万学春老师、李营老师、杜恩明老师, 本篇论文的顺利完成离不开几位老师的悉心指导， 在此我谨致以崇高的敬意和衷心的感谢 ! 在论

15、文的完成过程中， 他们深厚的学术功底、严谨的治学态度、 和蔼可亲的为师之道和不知疲倦的进取精神，让我受益颇深，为我树立了人生道路上的榜样，是我今后从事教育事业道路上的楷模。同时 , 我还要感谢大学期间各位任课老师在学习上给予我的指导和帮助， 是他们在三年的学习中指导我学习， 指导我如何做学问 , 教给了我许多做人治学的道理，你们的高尚的人格和行为风范，将为我今后的工作和生活产生久远的影响。在论文即将完成之际，我的心情是多么的高兴，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！虽然此文历经几次修改，但由于本人水平有限，文中仍会存在许多不足

16、和缺陷，敬请诸位老师和同学不吝批评指正，以使我更加深入地学习和提高！参考文献1.钟肇新 . 可编程序控制器原理及应用 . 广州：华南理工大学出版社， 2002 年.xfrqrp2.章文浩 . 可编程控制器原理及实验 . 北京：国防工业出版社，2003 年 .xfrqrp3.陈宇 . 段鑫 . 可编程控制器基础及编程技巧 . 广州：华南理工大学出版社， 2002 年 xfrqrp4.常晓玲 . 电气控制系统与可编程控制器 . 北京：机械工业出版社， 2004 年 xfrqrp5.李乃夫 . 可编程控制器原理、应用、实验 . 北京：中国轻工业出版社， 2003 年 xfrqrp6.钟肇新 . 彭侃

17、 . 可编程控制器原理与应用 . 广州：华南理工大学出版社， 2004 年 xfrqrp7.张建民 . 机电一体化系统设计 . 北京：高等教育出版社， 2001年 xfrqrp8.张兵 . 赵斌 . 施永辉 . 基于 PLC的机械手混合驱动控制 . 液压与气动，2005 年， 3 期： 37-39 页 xfrqrp9.贺黛芳 . 马笑潇 . PLC 在针灸机械手控制系统中的应用 . 基础自动化，2001 年， 8 卷 2 期： 29-32 页 xfrqrp10.蒋少茵 .PLC 控制的机械手 .测控自动化，2004 年，6 期：17-18页 xfrqrp11.史国生 . 崔洪斌 . PLC 在机械手步进控制中的应用 . 组合机床与自动化加工技术 ，2001 年， 8 期： 25-27 页 xfrqrp12.杨存智 . PLC在自动化生产机械手中的应用 .机床电器，2006年， 33 卷 1 期： 38-40 页 xfrqrp13.彭坚 . 气动机械手 PLC控制系统设计 . 电工技术， 2004 年，6 期： 23-24 页 xfrqrp