機械手課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 設計目的及主要內容1</p><p><b>　　1設計目的</b></p><p><b>　　1.2設計內容</b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)控制結構的確定5</p>

2、<p><b>　　2.1 PLC概述</b></p><p>　　2.2PLC的特點3</p><p>　　2.3機械手的概述5</p><p>　　2.4機械手的組成5</p><p>　　2.5機械手的主要參數(shù)6</p><p>　　2.6應用機械手的意義6</p&

3、gt;<p>　　2.7機械手采用PLC控制的優(yōu)點7</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)8</p><p>　　3.1系統(tǒng)設計的基本步驟8</p><p>　　3.2 系統(tǒng)工作過程8</p><p><b>　　3.3控制要求</b></p><p>　　3.4系統(tǒng)及原理

4、10</p><p>　　第四章 電路的設計</p><p>　　4.1 操作方式11</p><p>　　4.2 I/O接線圖11</p><p>　　4.3 PLC梯形圖12</p><p>　　4.4 PLC控制程序13</p><p><b>　　第五章 心得體會&l

5、t;/b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　　本課程設計是本門課程課堂教學的延伸和發(fā)展，是理論知識與工程實踐之間的銜接。課程設計的主

6、要目的是通過某一生產(chǎn)設備的電氣控制裝置的設計實踐，了解一般電氣控制系統(tǒng)設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。通過設計也有助于復習、鞏固以往所學的知識，達到靈活應用的目的。設計必須滿足生產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝的要求，因此，設計之前必須了解設備的用途、結構、操作要求和工藝過程，在此過程中培養(yǎng)從事設計工作的整體觀念。</p><p>　　課程設計應強調能力培養(yǎng)為主，在獨立完成設計任務的同時，還要注意其他幾方面能

7、力的培養(yǎng)與提高，如獨立工作能力與創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力；查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。在專業(yè)知識與研究方法方面為日后的畢業(yè)設計乃至畢業(yè)后的工作奠定良好的基礎。</p><p><b>　　1.2設計內容</b></p><p>　　機械手能把工件從A點移到B點，機械

8、手的結構示意圖如圖1所示。該機構的上升、下降和左移、右移是由雙線圈兩位電磁鬧推動氣缸來實現(xiàn)的。當某一線圈得電，機構便單方向移動，直至線圈斷電才停在當前位置。夾緊和放松是由單線圈兩位電磁閡驅動氣缸來實現(xiàn)的，線圈通電則夾緊，失電則為放松。設備上裝有上、下限位和左、有限位開關。</p><p>　　機械手工作循環(huán)過程示意圖如圖2所示。從圖中可見，機械手工作循環(huán)過程主要有8個動作，即為：</p><p

9、>　　第2章 系統(tǒng)控制結構的確定</p><p><b>　　2.1 PLC概述</b></p><p>　　PLC 是可編程控制器的簡稱。PLC 源于繼電器控制技術，通過運行存儲在其 內存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所需要的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算

10、機進行輸入輸出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息輸入輸出的物理過程一般不考慮的。而 PLC 則要考慮信息輸入 輸出的可靠性、實時性，以及信息的實際使用，特別要考慮怎么適應于工作環(huán)境，比如，便于安裝，便于維護及抗干擾等問題，輸入輸出信息變換及可靠的物理實 現(xiàn)，可以說是PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點。PLC可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。它的功能要比繼電器控制裝置多得多，也強得多。</p><p>　　根據(jù)

11、PLC豐富的指令系統(tǒng)，各種各樣的I/O 接口、通信接口，大容量的內存，可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，可以知道PLC 的基本功能：邏輯處理功能；數(shù)據(jù)運算功能；準確定時功能；高速計數(shù)功能；；中斷處理功能；程序與數(shù)據(jù)存儲功能；聯(lián)網(wǎng)通信 功能；自檢測、自診斷功能。PLC 把這些功能集于一身，是別的電控器所沒有的，也是傳統(tǒng)的繼電器控制電路所無法比擬的。PLC 豐富的功能為它的廣泛運用提供 了可能。</p><p>　　可編程控制器是

12、在計算機技術、通信技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā) 起來的，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它以微處理器為核心，用編寫的程 序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來 控制機械設備或生產(chǎn)過程。</p><p>　　2.2 PLC的特點</p><p><b>　?、?高可靠性</b></p><p>　　1

13、）所有的I/O 接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC 內部電路 之間電氣上隔離。 </p><p>　　2）各輸入端均采用R-C 濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10～20ms。 </p><p>　　3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。</p><p>　　4）采用性能優(yōu)良的開關電源。</p><p>　　5）對采用的器件進

14、行嚴格的篩選。 </p><p>　　6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用 有效措施，以防止故障擴大。</p><p>　　7）大型PLC 還可以采用由雙CPU 構成冗余系統(tǒng)或有三CPU 構成表決系統(tǒng),使可 靠性更進一步提高。 </p><p>　?、?豐富的I/O 接口模塊 </p><p>　　PLC

15、 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按 鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。 </p><p>　?、?采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采 用模塊化結構。PLC 的各個部件，包括 CPU，電源，I/O 等均采用

16、模塊化設計，由機 架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 </p><p>　?、?編程簡單易學 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需 要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 </p><p>　?、?安裝簡單，維修方便 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的

17、 各種設備與 PLC 相應的 I/O 端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障 指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。</p><p><b>　　2.3機械手的概述</b></p><p>　　機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機

18、的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門 新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn) 與機械化和自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件 的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個

19、重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水</p><p>

20、<b>　　2.4機械手的組成</b></p><p>　　機械手的形式是多樣的，但是其基本的組成都是相似的。一般機械手由執(zhí)行機構、傳動機構，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。</p><p>　　（圖2.1.1 機械手的組成及相互關系）</p><p><b>　　·執(zhí)行機構</b></p><p&g

21、t;　　執(zhí)行機構由手、關節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機構，用于抓取工件。關節(jié)是連接手與手臂的關鍵性原件，具有多方位旋轉特性。支柱用來支撐手臂，可做活動支柱方便機械手多方位移動。</p><p><b>　　·傳動機構</b></p><p>　　傳動機構用于實現(xiàn)執(zhí)行機構的動作。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動，電力傳動等形式。</p

22、><p><b>　　·控制系統(tǒng)</b></p><p>　　機械手按照制定的程序，步驟，參數(shù)進行動作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。簡易機械手通常情況下不使用專用的控制系統(tǒng)，只有動作復雜的機械手采用可編程控制器，微型計算機控制進行動作。</p><p><b>　　·輔助裝置</b></p>

23、;<p>　　輔助裝置主要是連接機械手各部分元件的裝置。</p><p>　　機械手按用途分類為：專用機械手、通用機械手。</p><p>　　按照傳動方式分類為：液壓式機械手、氣動式機械手、機械式機械手和電動機械手。</p><p>　　2.5機械手的主要參數(shù)</p><p><b>　　·傳動方式<

24、/b></p><p><b>　　·反應速度</b></p><p><b>　　·尺寸和重量</b></p><p><b>　　·負荷能力</b></p><p><b>　　·控制方式</b></

25、p><p><b>　　·操控范圍</b></p><p><b>　　·反應速度</b></p><p><b>　　·定位</b></p><p><b>　　·自由度</b></p><p>

26、;<b>　　·安全性</b></p><p><b>　　·實用性</b></p><p>　　2.6應用機械手的意義</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，機械手應用的越來越多。在機械工業(yè)中，機械手應用的意義概括如下：</p><p>　　·提高生產(chǎn)過程自動化程度，增

27、強生產(chǎn)效率。</p><p>　　機械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動化過程，從而提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動投入，從而降低生產(chǎn)成本。</p><p><b>　　·改善勞動條件</b></p><p>　　在車間的勞動環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會嚴重影響人的身體健康，人在車間工作不可避免的會接觸到危險，而應用機

28、械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動條件。</p><p>　　在一些簡單，重復的工作中以機械手代替人進行工作可以避免因疲勞和疏忽造成的事故。</p><p>　　·減少人力資源，便于節(jié)奏生產(chǎn)。</p><p>　　機械手的應用增強了自動化生產(chǎn)，會減少人力的使用。機械手可以長時間重復性連續(xù)完成工作，這是人工無法實現(xiàn)并完成的。生產(chǎn)線增加使用機械手以減少

29、人力和精準的生產(chǎn)節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產(chǎn)。</p><p>　　綜上所述，機械手的合理利用是機械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　2.7機械手采用PLC控制的優(yōu)點</p><p>　　機械手不止有一種控制系統(tǒng)，一些控制系統(tǒng)或多或少會存在一些缺點，而這些缺點在自動化生產(chǎn)中會造成不可避免的損失。而PLC控制的機械手在工業(yè)應用上表現(xiàn)最為突出，我們從幾方面論述一

30、下PLC控制機械手的優(yōu)點。</p><p>　　·控制方式：電氣控制屬于硬接線，邏輯一旦確定，要改變邏輯或增加功能非常困難；而PLC控制是軟接線，改變控制程序即可實現(xiàn)邏輯的改變或增加功能。</p><p>　　·工作方式：電氣控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制約。</p><p>　　·控制速度：電氣控制速度慢，觸電易動；PLC

31、通過半導體控制，速度快，無觸點，無抖動。</p><p>　　·可靠性能：電氣控制觸點多，會產(chǎn)生磨損和電弧燒傷，接線多，可靠性差；PLC無觸點，壽命長，具有自診功能，執(zhí)行程序監(jiān)控，調試和維護方便。</p><p><b>　　第3章 控制系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)設計的基本步驟</p><p>

32、;　　機械手系統(tǒng)設計和調試的主要步驟，如下圖2.3.1所示：</p><p>　　（圖3.1 系統(tǒng)設計步驟圖）</p><p>　　3.2 系統(tǒng)工作過程</p><p>　　氣動機械手的動作示意圖如圖1所示，氣動機械手的功能是將工件從A處移送到B處?？刂埔鬄椋?lt;/p><p>　　1、氣動機械手的升降和左右移行分別由不同的雙線圈電磁閥來實現(xiàn)

33、，電磁閥線圈失電時能保持原來的狀態(tài)，必須驅動反向的線圈才能反向運動；</p><p>　　2、上升、下降的電磁閥線圈分別為YV2、YV1；右行、左行的電磁閥線圈為YV3、YV4；</p><p>　　3、機械手的夾鉗由單線圈電磁閥YV5來實現(xiàn)，線圈通電時夾緊工件，線圈斷電時松開工件；</p><p>　　4、機械手的夾鉗的松開、夾緊通過延時1.7S實現(xiàn)；</p

34、><p>　　5、機械手的下降、上升、右行、左行的限位由行程開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4來實現(xiàn)；</p><p>　?。ㄒ娭笇?------一.課題內容）</p><p><b>　　3.3 控制要求</b></p><p>　　（見指導書-------控制要求）</p><p>　　3.3

35、.1點動控制工作方式</p><p>　　3.3.2自動控制工作方式</p><p>　　（圖3.2.2 機械手抓放運送功能）</p><p><b>　　3.4系統(tǒng)及原理</b></p><p>　　機械手的系統(tǒng)及原理如圖所示</p><p>　?。▓D3.3 控制系統(tǒng)原理圖）</p>

36、<p><b>　　電路設計</b></p><p><b>　　4.1.操作方式</b></p><p>　　設備的操作方式一般可分為手動和自動兩大類，手動操作方式主要用于設備的調整，自動操作方式用于設備的自動運行。</p><p>　　手動操作方式------手動操作：用單個按鈕接通或斷開各自對應的負載。

37、</p><p>　　------回原點：按下回原點按鈕，使設備自動回歸到原點位置。</p><p>　　自動操作方式------單步運行：每按一次啟動按鈕，設備前進一個工步。</p><p>　　------單周期運行：在原點位置時，按下啟動按鈕設備自動運行一個周期后停止原位；途中按下停止按鈕，設備停止運行；再按下啟動按鈕時，設備從斷點處繼續(xù)運行，直到原位停止。&

38、lt;/p><p>　　-------連續(xù)運行：在原點位置按下啟動按鈕，設備按既定工序連續(xù)反復運行。中途按下停止按鈕，設備運行到原位停止。</p><p>　　4.2 I/O接線圖</p><p>　　表1 機械臂傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表</p><p>　　I/O分配及接線圖I</p><p>　　4.3機械手的操作

39、系統(tǒng)程序</p><p>　　操作系統(tǒng)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖3所示。</p><p><b>　　其原理是：</b></p><p>　　把旋鈕置于回原點，X16接通，系統(tǒng)自動回原點，Y5驅動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ為一跳轉指令，如果CJ驅動，則跳到指針P所指P0

40、處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X7常閉觸點，當執(zhí)行CJ指令時，跳轉到P1所指的結束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。</p><p><b>　　4.4回原位程序</b></p><p>　　回原位程序如圖4所示。用S10~S12作回零操作元件。應注意，當用S10~S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在

41、自我復位前應使特殊繼電器M8043置1。</p><p>　　4.5手動單步操作程序　</p><p>　　如圖5所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護。</p><p>　　4.6 自動操作程序</p><p>　　自動操作狀態(tài)轉移見圖6所示。當機械臂處于原位時，按啟動X0接通，狀態(tài)轉移到S20，驅動下降Y0，當?shù)竭_下限位使行

42、程開關X1接通，狀態(tài)轉移到S21，而S20自動復位。S21驅動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達到最大夾緊力。當T0接通，狀態(tài)轉移到S22，驅動Y2上升，當上升到達最高位，X2接通，狀態(tài)轉移到S23。S23驅動Y3右移。</p><p>　　移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉移到S26上升。上升到最高位，X2接

43、通，狀態(tài)轉移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。</p><p>　　在編寫狀態(tài)轉移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。</p><p>　　4.7 機械臂傳送系統(tǒng)梯形圖</p><p>　　如圖7所示。圖中從第

44、0行到第27行為回原位狀態(tài)程序。從第28行到第66行，為手動單步操作程序。從第67行到第129行為自動操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）是圖3的操作系統(tǒng)運行的。</p><p>　　回原位程序和自動操作程序。是用步進順控方式編程。在各步進順控末行，都以RET結束本步進順控程序塊。但兩者又有不同?；卦怀绦虿荒茏詣臃祷爻跏紤B(tài)S1。而自動操作程序能自動返回初態(tài)S2。</p><p><

45、b>　　4.8指令語句表</b></p><p><b>　　第五章 心得體會</b></p><p>　　本課題所設計的機械手的操作過程是由電動機和氣缸組成執(zhí)行機構作為驅動，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運用步進順序控制編程，程序簡單且便于調試。 通過PLC 本身通信接口與計算機聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)場操作的各項參數(shù)進行監(jiān)測、修改、調整，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利

46、用 PLC 控制機械手相對于其它控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價比，較強的可操作性和實用性。就本課題設計的目的，實際應用運行良好，大大方便了工作和生活。</p><p>　　通過這次的畢業(yè)設計，我學到了很多東西，在做設計的過程中對工作的細心得 到了提高，認識到自己在這方面的不足。并且，對本設計的內容有了更好的了解，比如加深了解了有關可編程控制器的功能，還有機械手的工作原理等等。通過做這個設計，對以前不足的知

47、識進行彌補，在指導老師那里學到了很多寶貴的東西，這些都是對我很有幫助的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李國平編著，《基于PLC控制的氣動機械手實驗裝置的研制[J]》，液壓與氣動，2003</p><p>　　[2] 常曉玲編著，《電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器》，北京；機械工業(yè)出版社，2004</

48、p><p>　　[3] 范建東編著，《可編程控制器原理及應用》，廣州；華南理工大學出版社，2003</p><p>　　[4] 李乃夫編著，《可編程控制器原理、應用》，北京；中國輕工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[5] 郝海青編著，《串聯(lián)關節(jié)式機械手的控制系統(tǒng)分析與設計》，2002</p><p>　　[6].《PLC應用技術》 主編