基于PLC控制的機械手機械手畢業(yè)設計

1、1西安航空西安航空畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文）論文題目：論文題目： 基于基于 PLCPLC 的機械手系統(tǒng)設計的機械手系統(tǒng)設計所屬系部：所屬系部： 自動化工程系自動化工程系指導老師：指導老師： 職職 稱：稱： 副教授副教授學生姓名：學生姓名： 班級、學號班級、學號: : 專專 業(yè)：業(yè)： 機電一體化技術機電一體化技術西安航空職業(yè)技術學院制西安航空職業(yè)技術學院制2013 年 12 月 27 日2西安航空西安航空 畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）任務書題目：基于 PLC 的機械手系統(tǒng)設計摘要本論文主要闡述了機械手是在機械化、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

2、特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)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。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。(3)可在勞動條件差，單調(diào)重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。（4）可在

3、危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(5）宇宙及海洋的開發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 關鍵詞：機械手；步進電機；步進電機驅動器；氣動控制原理；PLC。3Abstract:Abstract: The paper elucidates main robot in mechanization and automation process of a new device. in recent years, with special electronic technology is computer widely used, robot development an

4、d production has become a high technology field quickly develop a new technology, which even promoted the development of robot, robot can better implementation of automation and mechanization and the organic combination. Made robot can better implementation of automation and mechanization and the or

5、ganic combination. robot although there might as well as flexible hands, but it has to cons robot tantly repeated work and labor, no fatigue, unafraid of risks, the snatch heavy weights than the other hand, therefore, robot been many department, and more widely been used, for example.(1) machining o

6、f the loading and unloading, especially in automation lathe and machine tools we use a combination of the general assembly. (2) work widely used in the electronics industry to the assembly of printed circuit board in machinery industry, it can be used to assemble the provided parts and components.(3

7、) in working conditions, its repetitive tasks out to the working conditions of work in place of labour.(4）in dangerous situations, such as the loading and unloading, and war industry dangerous cargo and injurant handling etc.(5）the universe and marine development. (6) military construction and biome

8、dical research and testing.KeyKey words:words: robot ； step into an electric motor drive ； step ； pneumatic control mechanism ； plc.4目錄目錄緒論緒論 .51 機械手的設計機械手的設計 .61.1 設計目的.61.2 設計內(nèi)容.61.3 設計依據(jù)與可行性.61.4 設計步驟.62 機械手的概述與設計原理機械手的概述與設計原理 .72.12.1 機械手的工作方式機械手的工作方式 .72.1.1機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖.72.1.2機械手動作分解圖.92.2 機械手輸

9、入和輸出點分配表及原理接線圖.102.3 PLC 控制程序及控制圖.112.3.1機械手手動單步操作程序：.122.3.2機械手自動操作程序：.132.3.3總體機械手PLC控制程序圖：.142.3.4總體PLC控制結構圖：.172.3.5機械手自動連續(xù)運行順序功能圖：.182.4 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖及指令表.192.4.1 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖.192.4.2機械手傳送系統(tǒng).212.5 機械手工作流程圖及氣動回路圖.222.6 氣動回路圖.233 機械手夾持器和機座的設計機械手夾持器和機座的設計 .243.1 機械手夾持器機械手夾持器 .243.2 機座的設計.24結束語結束語 .26謝辭

10、謝辭 .27參考文獻參考文獻 .285緒論緒論在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化

11、裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。 本設計所用機械部件有滾珠絲杠、滑軌、氣控機械抓手等。電氣方面有可編程控制器（PLC） 、步進電機、步進電機驅動器、直流電機、開關電源、電磁閥、操作臺等部件?？删幊炭刂破靼l(fā)出兩路脈沖到步進電機驅動器，分別驅動橫軸、豎軸的步進電機運轉；直流電機拖動底座和手腕的旋轉；行程開關、微動開關、將位置信號反饋給主機，由主機發(fā)出指令來實現(xiàn)對手臂的伸縮、上下、轉動位置的控制；主機發(fā)信號到氣動電磁閥，以控制手爪的張合來抓放物體。本設計可根據(jù)工

12、件的變化及運動流的要求隨時更改相關參數(shù)，具有很大的靈活性和可操作性。61 1 基于基于 PLCPLC 的機械手的設計的機械手的設計1.11.1 設計目的設計目的(1).進一步加深對所學基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。 (2). 系統(tǒng)開發(fā) PLC 的綜合訓練，掌握 PLC 應用系統(tǒng)設計的一般方法和實施。獲得從事科研工作的初步訓練，培養(yǎng)獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其注重充分利用網(wǎng)絡等途徑獲取新知識的能力。(3). 培養(yǎng)設計計算、工程繪圖、實驗方法、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱、計算機應用等基本工作實踐能力以及外文資料翻譯與使用能力。(

13、4).樹立嚴謹、負責、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、善于合作等作風，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。1.21.2 設計內(nèi)容設計內(nèi)容PLC 的選型及電動機的選擇，編制機械手 PLC 控制程序，設計機械手模型的電氣線路原理圖，繪制設計圖樣，撰寫畢業(yè)設計說明書。1.31.3 設計依據(jù)與可行性設計依據(jù)與可行性 參照已學課程：電工與電子技術、機電傳動與控制及可編程控制器應用技術原理與應用等相關知識，綜合相關實訓課程完成設計內(nèi)容，機電實訓室提供的PLC 實訓場地和氣動生產(chǎn)線及機電一體化組合試驗實訓平臺能夠用于畢業(yè)設計程序的調(diào)試。1.41.4 設計步驟設計步驟(1).根據(jù)設計要求深入了解系統(tǒng)的基本組成、主要運動形式及工作流程

14、。(2).進行電動機的種類及驅動方式的選擇。(3).確定輸入/輸出設備和 PLC 型號，編制現(xiàn)場設備與 PLC 輸入/輸出對照表、所需的 PLC 機內(nèi)編程軟元件及 I/O 接線圖。(4).完成 PLC 控制程序的編制。(5).設計系統(tǒng)電氣線路。7(6).綜合調(diào)試(7).撰寫畢業(yè)設計說明書，列出詳細的材料清單2 2 機械手的概述機械手的概述與設計原理與設計原理機械手是在機械化、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的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)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

15、結合。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。(3)可在勞動條件差，單調(diào)重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。（4）可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。(5）宇宙及海洋的開發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 2.12.1 機械手的工作方式機械手的

16、工作方式機械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。以下是設計該機械手控制程序的步驟和方法。2.1.1 機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖機械手傳送工件系統(tǒng)示意圖如圖 2-1 所示。8圖 2 -1 機械手傳送示意及操作面板圖92.1.2 機械手動作分解圖機械手動作分解圖如圖 2-2 所示 圖 2-2102.22.2 機械手輸入和輸出點分配表及原理接線圖機械手輸入和輸

17、出點分配表及原理接線圖表 1 機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表名名 稱稱代代號號輸入輸入名名 稱稱代號代號輸入輸入名名 稱稱代號代號輸輸出出啟動SB1X0夾緊SB5X10電磁閥下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11電磁閥夾緊YV2Y1上限行程SQ2X2單步上升SB7X12電磁閥上升YV3Y2右限行程SQ3X3單步下降SB8X13電磁閥右行YV4Y3左限行程SQ4X4單步左移SB9X14電磁閥左行YV5Y4停止SB2X5單步右移SB10X15原點指示ELY5手動操作SB3X6回原點SB11X16連續(xù)操作SB4X7工件檢測SQ5X17 圖 2-3 PLC 接線原理圖112.32.3 PL

18、CPLC 控制程序控制程序及控制圖及控制圖操作系統(tǒng) 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2-4 所示。圖 2-4其原理是：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 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?；卦怀绦蚧卦怀绦蛉鐖D 2-5 所示。用 S1

19、0S12 作回零操作元件。應注意，當用S10S19 作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復位前應使特殊繼電器 M8043 置1。12圖 2-52.3.1 機械手手動單步操作程序：機械手手動單步操作程序：如圖 2-6 所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護。圖 2-6132.3.2 機械手自動操作程序：機械手自動操作程序： 自動操作狀態(tài)轉移見圖 2-7 所示。當機械手處于原位時，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

20、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，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。圖 2-7142.3.3 總體機械手總體機械手 PLC 控制程序圖：控制程序圖： 1516172.3.4 總體總體 PLC 控制結構圖：控制結構圖：182.3.5 機械手自動連續(xù)運行順序功能圖

21、：機械手自動連續(xù)運行順序功能圖：2.42.4 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖及指令表機械手傳送系統(tǒng)梯形圖及指令表圖中從第 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?；卦怀绦蚝妥詣硬僮鞒绦?。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。回原位程序不能自動返回初始態(tài) S1。而自動操作程序能自動返回初態(tài) S2。192.4.1 機械手傳送系統(tǒng)梯形圖機械手傳送系統(tǒng)梯形圖20圖 2-8212.4.2 機械手傳送系統(tǒng)機械手傳送

22、系統(tǒng)222.52.5 機械手工作流程圖機械手工作流程圖及氣動回路圖及氣動回路圖232.62.6 氣動回路圖氣動回路圖243 3 機械手夾持器和機座的設機械手夾持器和機座的設計計3.13.1 機械手夾持器機械手夾持器機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉型。回轉型手抓有可分為單支點和雙支點回轉型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅動方式可以電動、液壓和氣動三種。回轉型夾持器結構較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設計機械手夾持器的時候，在滿

23、足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結構比較簡單回轉型夾持器。 本文設計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉型夾持器。如右圖 3-1 所示，裝在桿上端的滾子 3 和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊 4 的斜面和杠桿 1，使兩個手抓產(chǎn)生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構簡單。 圖3-13.23.2 機座的設計機座的設計機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行。如圖 3-

24、2 所示，機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結構。這種結構有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點。圖中電動機 3 經(jīng)減速器4、主動小齒輪 5、中間齒輪 6、大齒輪 7 驅動絲桿 2 旋轉，從而驅動升降臺上下運動。整個機座安裝在基座 8 上。251 軸承 2 絲桿 3 電動機 4 減速器 5、6、7 機座 8 齒輪圖 3-226結束語結束語轉眼之間，歷經(jīng)整整大三的下半個學期、近兩個月的畢業(yè)設計馬上就要結束了，這是我們大學之中最后一個也是最重要的一個設計、一個階段。畢業(yè)設計是考驗我們大學這三年來的所學，它要求我們將大學這三年來所學到的知識能夠融會貫通、熟練應用，并要求我們能夠理論聯(lián)系實際，培

25、養(yǎng)我們的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。 在這兩個月里，我不斷學習新的知識、不斷積累經(jīng)驗并且不斷的提高。在幾位老師的悉心指導下，我從最初的選題開始做起，進行設計方案的確定；對以前所學的機械、電子電工、計算機、CAD 等基礎知識的全面綜合應用。在此還綜合運用了傳感器、低壓電器、可編程控制器、氣動傳動、機械制圖知識的技能，模擬進行現(xiàn)場監(jiān)視與控制。這次的畢業(yè)設計，是對我這三年來所學的專業(yè)知識是否踏實的檢驗，讓我對這三年中所學知識進行了綜合，也讓我溫習了一些已經(jīng)快要淡忘的專業(yè)知識，并且還學到了一些實際工程經(jīng)驗。與此同時，我也充分認識到自身的許多不足：基礎知識學得不夠扎實，缺乏綜合運用及理論聯(lián)系實際

26、的能力等。采用 PLC 控制的自動化機械手，硬件結構簡單，成本低廉，響應速度快，性能、價格比很高，和單片機系統(tǒng)相比具有極高的可靠性。經(jīng)現(xiàn)場使用考驗，性能穩(wěn)定，運行可靠。另外還可以根據(jù)實際需要很方便地進行擴展。程序稍作修改，就可以滿足用戶不同的控制要求，體現(xiàn)出極大的靈活性和適應性，具有極高的實際推廣價值。這次的設計對我來說真的很重要，讓我學會了理論聯(lián)系實際、實際再聯(lián)系理論的學習方法，也讓我真正地認識到學好專業(yè)知識的必要性和重要性。在以后的學習工作中我們會加倍用心地去學習好我的專業(yè)知識。27謝辭謝辭走的最快的總是時間，來不及感嘆，大學生活已近尾聲，兩年多的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要劃下完

27、美的句號。本論文設計在陳荷教授的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，沒有陳教授這樣的指導和幫助，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計。在此向陳教授表示深深的感謝和崇高的敬意！在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這兩年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們兩年來的辛勤栽培。不積跬步何以至千里，各位任課老師認真負責，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。我還要感謝各位同學以，在畢業(yè)設計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝！ 最后我還要感謝我的母校對我

28、這兩年多的栽培。28參考文獻參考文獻1. PLC 應用開發(fā)實用子程序作者：賈德勝 人民郵電出版社出版出版日期：2006 年 1 月2PLC 程序設計和實例應用作 者：霍罡電子工業(yè)出版社出版日期：2010-043.畢業(yè)設計指導書作者：劉超英 青島海洋出版社 出版日期：2009-10-104.PLC 技術與應用作者：程周 福建科學技術出版社 出版日期：2004 年 1 月 1 日5.可編程序控制器應用技術作者:張發(fā)玉 重慶大學出版社出版日期:2006-8-16液壓與氣動技術作者： 李新德 許毅 清華大學出版社出版日期：2009 年 8 月7.電氣控制及 PLC作者: 王永華 清華大學出版社出版日期: 2009 年 9 月8.機械設計與制造基礎作者：閻秀華,苗淑杰 機械工業(yè)出版社出版日期：20089 月 6 日9.網(wǎng)上資料29時間：時間： 2010 年 11 月 10 日 至 2010 年 12 月 27 日 共 7周所屬系部：所屬系部： 自動化工程系自動化工程系學生姓名：學生姓名： 學學 號：號：專業(yè)：專業(yè)： 機電一體化技術機電一體化技術指導單位或教研室：指導單位或教研室： 西安航空自動化